Miglioramento dell’Efficienza dei Treni Elettrici e Ibridi con SiC

Autore: Nitesh Satheesh – Technical Staff Engineer and Vipin Gaonkar – Senior Engineer, Microchip Technology India Pvt Ltd

Saranno i treni ibridi a fornire ciò che le auto ibride non potrebbero in termini di efficienza e accettazione? Mentre gli electric vehicle (EV) consumer sono andati dritti verso i plug in, stiamo vedendo segnali contrastanti dal mercato del trasporto di massa e, come fornitori di componenti, dovremo essere pronti a servire entrambi i mercati.

Di recentemente, il carburo di silicio (SiC) ha registrato un aumento di adozioni nel trasporto di massa, negli alimentatori ausiliari, nei caricabatterie e nella propulsione dove, tutti loro, richiedono ciascuno un’ottimizzazione nel raffreddamento, una maggiore efficienza e fattori di forma più piccoli. Un tema comune è la crescente necessità di dispositivi wide bandgap e di ecosistemi per applicazioni ad alta tensione.

 

Perché Wide Band Gap?

Il focus di questo articolo sarà sulle tecnologie che agiscono come abilitatori nell’elettrificazione sostenibile dei trasporti, aiutando i progettisti di sistemi ad adottare il SiC con facilità, rapidità e fiducia.

La pandemia ha messo a nudo le politiche energetiche di diverse nazioni, con alcuni paesi fortemente dipendenti dall’energia nucleare, ed altri che stanno investendo in energie rinnovabili come il solare e l’eolico, o ancora su fonti non rinnovabili.

Indipendentemente dalla fonte, è però saggio utilizzare sempre l’energia in modo sostenibile. Gli OEM hanno dimostrato una soluzione zero emissioni con i treni a celle a combustibile nell’ultimo anno, mentre altri si sono cimentati con un sistema ibrido.

Dal punto di vista dell’elettronica di potenza, la scelta tra full electric o hybrid determinerà la tensione di guasto del semiconduttore di potenza. Microchip offre una robusta suite di potenza in Sic che va da 700V a 3300V, insieme a gate driver ottimizzati per estrarre le massime prestazioni da questi dispositivi.

Focus sull’efficienza

Per qualsiasi sistema, l’efficienza è definita come power out/power in, e la differenza tra questi è ciò che viene disperso sotto forma di calore. Per un semiconduttore di potenza, sono due i fattori che contribuiscono a queste perdite, la conduzione e la commutazione.

L’attuale potenza dei semiconduttori è chiamata Insulated Gate Bipolar Transistor al silicio (IGBT), che ha una componente più elevata di perdite da commutazione. Mentre il SiC MOSFET può passare tra on e off più velocemente, con conseguente, drastica, riduzione delle perdite di commutazione.

Comparazione di differenti tecniche di gate driving

Ma è questo il massimo che si può spremere dai SiC? Sembrerebbe di no. Con le tecniche di gate driving digitali, come la augmented switching, le perdite possono essere ridotte ulteriormente.

Miglioramenti delle prestazioni utilizzando SiC e Augmented Switching

È stato eseguito uno studio comparativo in cui è stato testato un modulo di potenza SiC in un package Industry Standard (62 mm). Solo i gate driver sono stati modificati, mentre tutti gli altri parametri sono rimasti invariati. Uno dei gate driver si basava su tecnologia Augmented Switching mentre l’altro era un driver analogico convenzionale, e che si affidava alle resistenze del gate per controllare il dv/dt e il di/dt. L’analisi è presentata con una funzione di costo sviluppata dall’Università dell’Arkansas [2].

Pareto Front Analysis viene presentata utilizzando la seguente equazione per la barra colorata

Il fattore di ponderazione α=0.5, β=0.5; α +β =1, dove α sono le perdite di commutazione e β è il superamento di corrente Id in caso di accensione (turn-on) o Vds il superamento di tensione in caso di spegnimento (turn-off).

Più bassa è la funzione di costo, migliori sono le prestazioni complessive del dispositivo SiC.

Impostazioni degli Augmented Step per l’ottenimento delle migliori prestazioni

• Turn-On Step: 0,5V 40ns

• Turn-off Step 1: 3,5V 240ns

• Turn-off Step 2: 1,5V 240ns

La linea rossa dei due grafici rappresenta la linea di riferimento che può essere raggiunta utilizzando un approccio analogico e modificando solo le resistenze di gate. È possibile che ci siano altri valori di resistenza di gate che definiscono meglio la curva, ma dalla nostra analisi di revisione di 10 valori, riteniamo che un’estrapolazione come quella qui presentata sia da ritenersi accurata.

• Risultati Turn-On

Il grafico sottostante rappresenta il superamento di corrente in ampere rispetto alla perdita di commutazione in millijoule di turn-on.

Le migliori prestazioni si ottengono con l’impostazione Augmented Switching di 0,5V 40ns e Rg(on) di 0,5Ω con una riduzione dell’8% dell’overshoot di corrente e una riduzione del 25% di Eon, rispetto all’utilizzo di un driver analogico con Rg(on) di 1,1Ω.

Comparazione tra turn-on utilizzando un driver analogico con controllo Rg rispetto a gate driver digitale con Augmented Switching.

Un superamento di corrente più elevato si traduce tipicamente in una proporzione maggiore di ringing e di/dt che potrebbero sommarsi con altre aree del sistema.

• Risultati Turn-Off

I risultati nel caso del turn-off sono interessanti in quanto i risultati derivanti dall’utilizzo della augmented switching sono più vicini a quelli ottenuti utilizzando un semplice driver analogico con resistenze di gate. In un sistema in cui la tensione nominale di dc link era di 750V e massima di 800V, è utilizzato un dispositivo a semiconduttore da 1200 V, lasciando un margine di superamento della tensione di 400 V. Quando questi vincoli vengono applicati, diventa chiaro che l’utilizzo della augmented switching fornisce risultati notevolmente migliori. Il miglior compromesso si ottiene con l’utilizzo di un’impostazione di augmented switching di 3V 240ns, 1,5V 240ns e Rg(off) di 1,1Ω, con conseguente riduzione del 10% dell’overshoot Vds e del 14% di Eoff rispetto all’utilizzo di un driver analogico con Rg(off) di 4,7 ohm.

Comparazione tra turn-off utilizzando un driver analogico con controllo Rg rispetto a gate driver digitale con augmented switching.

Riduzione ringing

I grafici qui sopra mostrano perdite di commutazione v/s superamento della corrente o della tensione e forniscono un riepilogo di ciò che può essere raggiunto dai gate driver con una accurata messa a punto. Un ulteriore vantaggio della augmented switching è la riduzione del ringing in Vds e Vgs. Ciò può essere ottenuto controllando lo switching slope su turn-on e turn-off. Il metodo e i benefici saranno approfonditi in un altro articolo.

 

Controllo di dv/dt nei sistemi di propulsione

Per le applicazioni che richiedono ai dispositivi wide bandgap di azionare i motori, un parametro critico è dv/dt durante la commutazione. Un dv/dt elevato può infatti danneggiare gli avvolgimenti del motore e quindi è importante limitarlo.

Con un gate driver analogico, ciò viene ottenuto aumentando Rg(on) dove la contropartita da bilanciare è l’aumento delle perdite di commutazione.

Sembra esserci una forte correlazione tra l’induttanza del package SIC e i risultati di tale analisi comparativa, che è in progressione.

Sommario

L’uso dei MOSFET SIC comporta enormi miglioramenti in termini di efficienza, come mostrato nella figura 1. Un ulteriore miglioramento dell’efficienza può essere ottenuto utilizzando la augmented switching.

Nel nostro caso di studio, nelle stesse condizioni operative, è stato dimostrato che con l’uso della augmented switching, è possibile ridurre le perdite totali di commutazione di un ulteriore 12% rispetto all’utilizzo di un driver analogico.

IGBT contro SiC contro SiC con Augmented Switching