Oppnå høyeste effektivitet i DC-DC-omformerapplikasjoner - Elektronikknett
Toshiba 7331 SiC_MOSFET

Oppnå høyeste effektivitet i DC-DC-omformerapplikasjoner

Fremveksten av komponenter med brede båndgap, for eksempel silisiumkarbid (SiC), gjør det mulig å oppnå et sprang i ytelse.

Ettersom verden venner seg av med sin avhengighet av fossilt brensel, har det vært fokus på innovative elektroniske systemer for å levere ren, effektiv elektrisk kraft. Regjeringsinitiativer for å redusere utslipp fra kjøretøy har fått bilindustrien til å gå over til elektriske drivlinjer. Dette krever en ladeinfrastruktur som er effektiv og robust for å holde farten oppe i denne mobilitetsmetoden. Elektrisitetsproduksjonen har også flyttet til fornybare energikilder, som sol og vind. I motsetning til fossilt brensel og kjernefysiske alternativer, er slik kraftproduksjon avhengig av vær og tid på døgnet. Siden disse ikke alltid samsvarer med nettbehovet, bidrar lagring av slike energikilder i batterier til å forbedre effektiviteten i energiforsyningsmiksen.

Kontinuerlig forbedring

Gjennom årene har silisiumkomponenter utviklet seg enormt, med kontinuerlig forbedring av deres egenskaper. Mikrokontrollere tilbyr smarte pulsbreddemodulerte (PWM) timere kombinert med synkron analogteknikk for å gi ingeniører svært tilpasningsbare plattformer som kan programmeres for å møte krevende kraftomformingsbehov. Samtidig har silisiumbaserte kraftkomponenter blitt optimert når det gjelder på-motstand og parasittiske faktorer for å minimere tapene.

Et sprang i ytelse

Mens forbedringer i silisiumbaserte kraftkomponenter har vært inkrementelle, tillater introduksjonen av komponenter med brede båndgap, for eksempel silisiumkarbid (SiC), det mulig å oppnå et sprang i ytelse. SiC MOSFETer tilbyr betydelige forbedringer i svitsjetap sammenlignet med silisium-IGBTer. Takket være den høye drain-source-spenningen som støttes, fortrenger de i økende grad IGBTer i effektfaktorkorrigering og andre høyspennings effektomformertrinn. Den SiC-baserte integrerte dioden som er implementert i disse enhetene, støtter også høye overspenningsstrømmer, noe som gjør dem til en robust komponent i designet.

Høy svitsjehastighet

Den mest ettertraktede egenskapen er kanskje deres høye svitsjehastighet sammenlignet med IGBTer. Ikke bare reduserer dette betraktelig på- og avkoplingstap, det gjør det mulig å bruke høyere svitsjefrekvenser. I sin tur fører dette til en reduksjon i størrelsen på induktanser, noe som resulterer i mer kompakte design når man sikter mot samme utgangseffekt som med IGBT-baserte omformere. Under de samme forholdene har Toshiba TW070J120B SiC MOSFETene et starttap på bare 0,6 mJ sammenlignet med en tilsvarende spesifisert IGBT, som krevde 2,5 mJ (Figur 1).

Toshiba 7331 Figur 1 Figur 1: Sammenlignet med den nyeste IGBT-generasjonen, viser TW070J120B SiC MOSFET betydelig raskere svitsjehastigheter, hvilket betyr høyere effektivitet i kraftomformere.
Toveis DC-DC omformere

Toveis DC-DC-omformere gjør at energi lagret i batterier kan brukes til andre formål når ladingen er fullført. For elbiler er det interesse for å tilby Vehicle-to-Grid (V2G)-kapasitet, slik at kjøretøy kan levere strøm under strømbrudd eller til og med stabilisere nettet lokalt når det er nødvendig. Produksjonsanlegg for fornybar energi benytter seg også av denne muligheten; Lagrer energi generert under optimale værforhold og leverer tilbake til nettet når det er nødvendig. Som et resultat kreves det sjeldnere eller ikke i det hele tatt kraftkilder med fossilt brensel, for eksempel dieselgeneratorer.

DAB-topologi

Effektivitet er avgjørende i slike design. Én tilnærming er å konstruere to separate omformere, hver dedikert til applikasjonens behov, men dette resulterer i en klumpete løsning med et høyt antall komponenter. For å oppnå høyere effekttetthet tyr designere til den såkalte Dual Active Bridge (DAB) topologien (figur 2). Dette tillater bruk av myk svitsjing, et lavere antall komponenter, oppnår høy effektivitet, samtidig som det gir galvanisk isolasjon – ofte et kritisk designkrav – til en mer attraktiv total systemkostnad.

Toshiba 7331 Figur 2 Figur 2a og 2b: Hvordan toveis DC-DC omformere anvendes i solcelle- (venstre) og elbilladings- (høyre) applikasjoner.
PWM-styring

DAB-topologien består av to helbroer, forbundet med en induktans og en høyfrekvent transformator (Figur 3). Transformatorens primær- og sekundærviklinger bestemmer omformerforholdet mellom de to sidene. Serieinduktansen er ikke et krav. I noen tilfeller kan transformatoren fylle begge rollene, men dette går typisk på bekostning av økte tap og tap i effektivitet. Begge sider styres ved hjelp av komplementære PWM-styresignaler. Modulering av fasen til signalet som påtrykkes de to sidene definerer retningen for energioverføring. Siden som er koblet til høyspennings DC-link er godt egnet til egenskapene til SiC MOSFETer. De støtter de høye spenningene som påføres, samtidig som de støtter de høye svitsjefrekvensene som brukes. Takket være bruken av nullspenningssvitsjing (ZVS), er høyspennings silisium MOSFETer optimalt tilpasset behovene til den motsatte siden.

Referansedesign

Dette er tilnærmingen som er brukt i ett nytt toveis DC-DC strømforsyningsreferansedesign (RD167) fra Toshiba. Mens den støtter 750 V DC på høyspenningssiden og gir ut 380 V DC, kan forsyningen levere 5 kW med en effekteffektivitet på 97 % i begge retninger (100 % step-up belastning) ved bruk av en 50 kHz svitsjefrekvens. Designet bruker 1200 V TW070J120B SiC MOSFET i stedet for IGBTer for å dra nytte av de lave svitsjetapene og den lave 70 mΩ RDS(ON). Gateterskelen (Vth) ligger mellom 4,2 V og 5,8 V, noe som bidrar til robustheten til designet ved å gjøre det mindre utsatt for svingninger i gatespenningen og støy.

Lav på-motstand

På lavspenningssiden bruker designet den 650 V TK49N65W5, som er en silisium N-kanal MOSFET, og drar dermed fordel av ytelsesforbedringer sammenlignet med IGBTer. Dens høyhastighets parasittiske diode, kombinert med DTMOS superjunction-strukturen, bidrar til den høye effektiviteten takket være de lave svitsjetapene og rask reverseringstid (trr = 145 ns typisk). Med en lav på-motstand på 0,051 Ω (typisk), kan den støtte DC drainstrømmer (ID) på 49,2 A og pulsede drainstrømmer (IDP) på 192 A.

Gatedriver gir beskyttelse

For å ivareta optimal gate-styring til både SiC- og silisium-MOSFET, brukes gatedriveren TLP5214A. Dens 4 A sink- og sourceekapasitet gir tilstrekkelig driv- og utladningsstrøm ved høye spenninger og de høye svitsjefrekvensene som brukes. Den gir også en beskyttelse til designet takket være overstrømsbeskyttelse og underspenningssperrefunksjon.

Toshiba 7331 Figur 3 Figur 3: DAB toveis DC-DC omformere basert på TW070J120B SiC MOSFET og TK49N65W5 silisium superjunction MOSFET.
Oppsummering

Kontinuerlig innovasjon innen kraftkomponenter hjelper utviklere av kraftomformere til å oppnå stadig høyere effektivitet med produktene sine. Nyskapningen bidrar også til at overgangen fra fossilt brensel til elektrisk energi utnytter våre tilgjengelige ressurser optimalt. Enten man sikter mot høyere effekter eller ønsker å gå over til høyere energitettheter, blir IGBTer i økende grad erstattet av alternativer. Ved høye spenninger (> 1000 V) gir SiC MOSFETer lavere tap og, takket være deres støtte for høyere svitsjefrekvenser, muliggjør de mer effektiv strømkonvertering. Rundt 650 V, fortrenger superjunction silisium MOSFETer, med lave reverseringstider, lav på-motstand og støtte for høyere svitsjefrekvenser, også IGBTer. Takket være referansedesign, som for eksempel Toshibas toveis DC-DC-strømforsyning, kan designingeniører øke hastigheten på evalueringen av passende designtilnærminger og topologier betydelig, og sette fart på utnyttelse av SiC MOSFETer.

 

Kilde: Toshiba Electronics Europe