วิธีลดการสูญเสีย ปรับปรุงประสิทธิภาพ และเพิ่มช่วงอุณหภูมิในการใช้งานที่มีกำลังสูง
Contributed By DigiKey's North American Editors
2023-09-08
นักออกแบบอุปกรณ์ใช้งานที่ใช้พลังงานมากต้องการตัวแปลงพลังงานที่มีขนาดเล็ก เบา และมีประสิทธิภาพที่สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานต่างๆ เช่น รถยนต์ไฟฟ้า (EV) ซึ่งการปรับปรุงดังกล่าวส่งผลให้สามารถชาร์จได้เร็วขึ้นและมีระยะทางไกลขึ้น นักออกแบบจึงใช้ตัวแปลงพลังงานที่ใช้เทคโนโลยีแถบพลังงานกว้าง (WBG) เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน (Si) อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าและมีน้ำหนักน้อยกว่า แต่มีความสามารถในการจัดการพลังงานที่คล้ายคลึงกัน นอกจากนี้ยังสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น ช่วยลดความต้องการระบบระบายความร้อน โดยอุปกรณ์ SiC สามารถทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น ทำให้สามารถใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่มีขนาดเล็กลง ซึ่งจะช่วยลดขนาดและน้ำหนักของคอนเวอร์เตอร์ ถึงกระนั้น SiC ยังอยู่ภายใต้การพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยความพยายามล่าสุดส่งผลให้ความต้านทาน "สถานะเปิด" ลดลง และลดการสูญเสียพลังงานอีกด้วย
บทความนี้จะกล่าวถึงข้อดีของ SiC เปรียบเทียบกับ Si โดยย่อ โดยพิจารณาจากบริบทการใช้ในรถ EV จากนั้นจะกล่าวถึงการพัฒนา SiC ก่อนที่จะแนะนำ มอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 ของ ROHM Semiconductor และสาธิตวิธีการช่วยนักออกแบบลดการสูญเสียพลังงาน ต้นทุน และขนาดวงจร
ทำไมต้องใช้ SiC
EV ต้องการเพิ่มความจุแบตเตอรี่เพื่อระยะการเดินทางที่ไกลขึ้น แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จึงเพิ่มขึ้นเป็น 800 โวลต์ สอดคล้องกับแนวโน้มดังกล่าว เพื่อลดเวลาในการชาร์จ เป็นผลให้นักออกแบบรถยนต์ไฟฟ้าต้องการอุปกรณ์ที่สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเหล่านี้ และในขณะเดียวกันก็ลดน้ำหนักและการสูญเสียทางไฟฟ้าอีกด้วย มอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 ของ ROHM Semiconductor ให้การสูญเสียที่น้อยลงด้วยความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น การสูญเสียการนำไฟฟ้าและสวิตช์ที่ต่ำกว่า และขนาดที่เล็กลง
SiC เป็นเซมิคอนดักเตอร์ WBG ที่นำเสนอประสิทธิภาพที่โดดเด่นในการใช้งานสวิตช์ไฟแรงสูงที่สัมพันธ์กับเทคโนโลยีมอสเฟต Si การเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกายภาพของ SiC และ Si แสดงแหล่งที่มาของการพัฒนานี้โดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางกายภาพห้าประการ ได้แก่ สนามไฟฟ้าเบรกดาวน์ แถบพลังงาน การนำความร้อน และจุดหลอมเหลว (รูปที่ 1)
รูปที่ 1: แสดงให้เห็นถึงข้อดีของมอสเฟต SiC เมื่อเปรียบเทียบกับ Si โดยพิจารณาจากคุณสมบัติทางกายภาพห้าประการ (แหล่งที่มาภาพ: ROHM Semiconductors)
ค่าสนามไฟฟ้าเบรกดาวน์ของ SiC นั้นมากกว่า Si สิบเท่า ทำให้สามารถออกแบบอุปกรณ์ที่มีแรงดันเบรกดาวน์สูงกว่าในขณะที่ความหนาของอุปกรณ์ลดลง แถบพลังงานที่กว้างขึ้นของ SiC ช่วยให้อุปกรณ์ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นมาก ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้นจะช่วยลดความพยายามที่จำเป็นต่อการระบายความร้อนของอุปกรณ์ ในขณะที่จุดหลอมเหลวที่สูงขึ้นจะเพิ่มอุณหภูมิในการทำงานให้สูงขึ้น สุดท้ายความเร็วลอยเลื่อนของอิเล็กตรอนอิ่มตัวที่สูงขึ้นของ SiC ส่งผลให้ความถี่สวิตชิ่งสูงขึ้นและการสูญเสียการสวิตชิ่งลดลง ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้นเหล่านี้ต้องใช้ตัวกรองขนาดเล็กและส่วนประกอบแบบพาสซีฟอื่นๆ ซึ่งช่วยลดขนาดและน้ำหนักลงอีก
การพัฒนามอสเฟต
มอสเฟต SiC ดั้งเดิมใช้โครงสร้างระนาบโดยที่เกตอุปกรณ์และช่องสัญญาณอยู่บนพื้นผิวของเซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์ระนาบถูกจำกัดในเรื่องความหนาแน่นของส่วนประกอบ เนื่องจากมีข้อจำกัดว่าการออกแบบสามารถลดขนาดได้มากเพียงใด เพื่อที่จะเพิ่มผลผลิตของอุปกรณ์ การใช้เทรนช์มอสเฟตแบบเดี่ยวและแบบคู่ช่วยให้ความหนาแน่นของอุปกรณ์ที่สูงขึ้น (รูปที่ 2)
รูปที่ 2: เทรนช์มอสเฟตมีความหนาแน่นของอุปกรณ์สูงขึ้นโดยการจัดเรียงองค์ประกอบอุปกรณ์ในแนวตั้ง (แหล่งที่มาภาพ: ROHM Semiconductor)
เทรนช์มอสเฟตประกอบด้วยเดรน เกต และซอร์ส เช่นเดียวกับมอสเฟตแบบอื่นๆ แต่จะจัดเรียงในแนวตั้ง ช่องดังกล่าวก่อตัวในแนวตั้ง ขนานกับร่องเกต โดยอาศัยสนามไฟฟ้า ทิศทางการไหลของกระแสเป็นแนวตั้งจากซอร์สไปยังเดรน โครงสร้างนี้มีขนาดเล็กมาก เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ระนาบซึ่งกระจายในแนวนอนและใช้พื้นที่ผิวมาก
โครงสร้างเทรนช์แบบเดี่ยวใช้เทรนช์เกตเดียว อุปกรณ์เทรนช์คู่มีทั้งเทรนช์เกตและเทรนช์ซอร์ส ROHM Semiconductor ได้เปลี่ยนไปใช้โครงสร้างเทรนช์คู่ในมอสเฟต SiC รุ่นที่ 3 โดยการออกแบบรุ่นที่ 4 เป็นการพัฒนาการออกแบบเทรนช์คู่โดยการลดขนาดเซลล์ ลดความต้านทานสถานะเปิดและความจุแฝง ส่งผลให้สูญเสียพลังงานน้อยลงมาก และให้ทางเลือกในการใช้อุปกรณ์ SiC ขนาดเล็กเพื่อการออกแบบระบบที่คุ้มต้นทุนมากขึ้น
การลดความต้านทานสถานะเปิดของมอสเฟตอาจทำให้ความสามารถในการจัดการไฟฟ้าลัดวงจรลดลง อย่างไรก็ตาม มอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 มีความต้านทานต่ำกว่าโดยไม่กระทบต่อเวลาในการทนต่อการลัดวงจร ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการบรรลุทั้งประสิทธิภาพสูงและความทนทานต่อการลัดวงจรที่แข็งแกร่ง
ทำความเข้าใจกับการสูญเสีย
การสูญเสียในตัวแปลงสวิตช์โหมดมาจากหลายแหล่ง สิ่งที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ ได้แก่ การนำไฟฟ้า การสวิตชิ่ง และการสูญเสียไดโอด (รูปที่ 3)
รูปที่ 3: แสดงเป็นแผนผังของตัวแปลงบัค DC/DC พร้อมการแสดงรูปคลื่นการสวิตช์และรูปคลื่นการสูญเสียที่เกี่ยวข้อง (แหล่งที่มาภาพ: ROHM Semiconductor)
ตัวแปลงบัคใช้การออกแบบขั้วโทเท็มโพลที่มีสวิตช์มอสเฟตด้านสูง (SH) และด้านต่ำ (SL) สวิตช์ถูกขับออกจากเฟสเพื่อให้ควบคุมได้เพียงตัวเดียวในแต่ละครั้ง รูปคลื่นของเกตไดรฟ์ (VGSH และ VGSL) แสดงขั้นแอมพลิจูดเนื่องจากช่วงเวลาการชาร์จที่เกี่ยวข้องสำหรับความจุแฝงของอุปกรณ์ แรงดันไฟฟ้าเดรนถึงซอร์ส (VDSH, VDSL) และรูปคลื่นกระแสเดรน (IDH, IDL) สำหรับอุปกรณ์ทั้งสองจะแสดงขึ้น เมื่ออุปกรณ์เปิดอยู่ VDS อยู่ในระดับต่ำ เมื่ออุปกรณ์ปิดอยู่ VDS อยู่ในระดับสูง ในช่วงเวลาที่ SH เปิดอยู่ กระแสเดรนจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงในขณะที่ชาร์จสนามแม่เหล็กของตัวเหนี่ยวนำ ในช่วงเวลานี้ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านความต้านทานของช่องสัญญาณจะพัฒนาแรงดันไฟฟ้าข้ามช่องสัญญาณ ส่งผลให้สูญเสียการนำไฟฟ้า (PCOND) ที่เป็นสัดส่วนกับกำลังสองของกระแสและความต้านทานสถานะเปิดของชาแนล ในระหว่างช่วงเวลาที่อุปกรณ์เปลี่ยนสถานะ แรงดันและกระแสไฟฟ้าไม่เป็นศูนย์ และพลังงานจะกระจายไปในอุปกรณ์ตามสัดส่วนของแรงดัน กระแส เวลาการเปลี่ยนผ่าน และความถี่ในการสวิตช์ นี่คือการสูญเสียการสวิตช์
สถานการณ์ที่คล้ายกันเกิดขึ้นเมื่อ SL เปิดอยู่ โดยกระแสจะลดลงเป็นเส้นตรงเมื่อพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำจ่ายกระแสไฟเดรนในอุปกรณ์ด้านล่าง อีกครั้งที่ความต้านทานของช่องสัญญาณจะกระจายพลังงานเนื่องจากการสูญเสียการนำไฟฟ้า โปรดทราบว่า VDSL ในอุปกรณ์ด้านล่างจะอยู่ใกล้ศูนย์ก่อนที่กระแสไฟฟ้าจะกลายเป็นศูนย์ ดังนั้นจึงไม่มีการสูญเสียการสวิชต์ที่เกี่ยวข้องกับวงจรส่วนนี้
การสูญเสียการฟื้นตัว (PQrr) เกิดจากการฟื้นตัวของไดโอดตัวอุปกรณ์ เพื่อความเรียบง่าย จะแสดงเฉพาะด้านสูงเท่านั้น
Pbody คือการนำกระแสของตัวไดโอดของอุปกรณ์ การสูญเสียนี้เกิดจากกระแสที่ดำเนินการผ่านไดโอดตัวของอุปกรณ์ด้านต่ำ
การสูญเสียพลังงานทั้งหมดคือผลรวมของส่วนประกอบทั้งหมดนี้สำหรับทรานซิสเตอร์ทั้งสองตัว
การปรับปรุงประสิทธิภาพของมอสเฟต SiC รุ่น 4
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ Si IGBT และมอสเฟต SiC รุ่นที่ 3 และ 4 ดำเนินการโดยใช้อินเวอร์เตอร์ฟูลบริดจ์ขนาด 5 กิโลวัตต์ (kW) (รูปที่ 4) ในวงจรฟูลบริดจ์นี้ อุปกรณ์สวิตชิ่งจะเชื่อมต่อแบบขนานเพื่อให้กระแสไฟสูงขึ้น โดยวงจรฟูลบริดจ์ใช้อุปกรณ์ทั้งหมดแปดตัว อุปกรณ์ทั้งแปดอยู่บนฮีทซิงค์ในภาพด้านซ้าย ซึ่งประเมินประสิทธิภาพของวงจรโดยใช้ IGBT ดั้งเดิมและมอสเฟตรุ่นที่ 3 และ 4 อินเวอร์เตอร์ทำงานที่ความถี่สวิตชิ่ง 40 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ด้วยมอสเฟต SiC และที่ 20 kHz ด้วย IGBT
รูปที่ 4: แสดงภาพและแผนผังของอินเวอร์เตอร์ไร้พัดลมขนาด 5 kW ที่เดิมทีออกแบบด้วย IGBT ซิลิคอนที่ทำงานที่ 20 kHz วงจรนี้รันด้วยทั้งมอสเฟต SiC รุ่นที่ 3 และ 4 ที่ 40 kHz โดยมีการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสามประเภท (แหล่งที่มาภาพ: ROHM Semiconductor)
อุปกรณ์รุ่นที่ 3 คือ ROHM Semiconductor SCT3030AL อุปกรณ์มีพิกัดแรงดันที่ 650 โวลต์พร้อมความต้านทานชาแนล (RDS(ON)) ที่ 30 มิลลิโอห์ม (mΩ) มอสเฟตรุ่นที่ 4 คือ ROHM Semiconductor SCT4026DEC11 พิกัดแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์รุ่นที่ 4 เพิ่มขึ้นเป็น 750 โวลต์ โดยค่า RDS(ON) คือ 26 mΩ ซึ่งลดลง 13% และลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าลงเล็กน้อย
การเปรียบเทียบการสูญเสียมอสเฟต SiC ทั้งสองกับ IGBT ดั้งเดิมแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพ (รูปที่ 5)
รูปที่ 5: มอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 ลดการสูญเสียลงอย่างมากเมื่อเทียบกับ Si IGBT ดั้งเดิมและอุปกรณ์รุ่นที่ 3 (แหล่งที่มาภาพ: ROHM Semiconductor)
อุปกรณ์รุ่นที่ 4 ลดการสูญเสียการนำไฟฟ้า (สีน้ำเงิน) จาก 10.7 เป็น 9.82 วัตต์ เมื่อเทียบกับอุปกรณ์รุ่นที่ 3 ซึ่งการลดลงอย่างมีนัยสำคัญยิ่งขึ้นเกิดขึ้นได้จากการสูญเสียการสวิชต์ (สีส้ม) ซึ่งลดลงจาก 16.6 เป็น 8.22 วัตต์
การปรับปรุงเพิ่มเติมในอุปกรณ์รุ่น 4 ประกอบด้วยความสามารถในเกทไดร์ฟที่ได้รับการปรับปรุง มอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 รองรับการไดร์ฟด้วยไฟ 15 โวลต์ อุปกรณ์รุ่นที่ 3 ต้องใช้ไฟ 18 โวลต์ ซึ่งหมายความว่าวงจรที่ออกแบบด้วยอุปกรณ์ Si สามารถใช้มอสเฟตรุ่นที่ 4 ได้ เป็นรุ่นทดแทนแบบดรอปอิน นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์ที่แนะนำระหว่างการปิดเครื่องคือ 0 โวลต์สำหรับมอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 ก่อนผลิตภัณฑ์รุ่นที่ 4 แรงดันไฟฟ้าระหว่างเกทกับซอร์สจำเป็นต้องมีค่าลบระหว่างการปิดเครื่องเพื่อป้องกันการเปิดตัวเอง อย่างไรก็ตาม ในอุปกรณ์รุ่นที่ 4 แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ (Vth) ได้รับการออกแบบให้สูงเพื่อระงับการเปิดตัวเอง ลดความจำเป็นในการใช้ค่าลบ
โซลูชันรุ่นที่ 4
โซลูชันมอสเฟตรุ่นที่ 4 แบ่งออกเป็นสองกลุ่มตามแพ็คเกจอุปกรณ์ SCT4026DEC11 ในที่นี่คือมอสเฟต SiC ขนาด 750 โวลต์ 56 แอมแปร์ (A) (+25°C)/29 A (+100°C) ขนาด 26 mΩ ในแพ็คเกจ TO-247N แบบทรีลีด ตัวอย่างของแพ็คเกจโฟว์ลีดคือ SCT4013DRC15, อุปกรณ์ 750 โวลต์, 105 A (+25°C)/74 A (+100°C), 13 mΩ ในแพ็คเกจ TO-247-4L แบบโฟว์ลีด
แพ็คเกจโฟว์ลีดจะเพิ่มลีดพิเศษที่ปรับปรุงความเร็วในการสวิตช์ของมอสเฟต แพ็คเกจสามพิน TO-247N ทั่วไปไม่ได้แยกเกตไดรฟ์ออกจากตัวเหนี่ยวนำจากตะกั่วของโหลดแฝงเนื่องจากมีกระแสไฟเดรนสูง แรงดันเกตถูกใช้ระหว่างขาเกตและขาซอร์ส แรงดันเกตที่มีประสิทธิภาพที่ชิปจะลดลงเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำปรสิต (VL) ของขั้วต่อต้นทาง ส่งผลให้ความเร็วในการสวิตช์ลดลง (รูปที่ 6)
รูปที่ 6: พินที่สี่บน TO-247-4L แยกไดรฟ์เกตออกจากขาซอร์สโดยใช้พินเชื่อมต่อเพิ่มเติมในการเชื่อมต่อเคลวิน (แหล่งที่มาภาพ: ROHM Semiconductor)
แพ็คเกจ TO-247-4L แบบสี่พินจะแยกพินไดรฟ์เกตและพินซอร์สที่เชื่อมต่อไดรฟ์เกตเข้ากับซอร์สภายในโดยตรง ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบของการเหนี่ยวนำแฝงของขาซอร์ส การเชื่อมต่อโดยตรงของเกทไดรฟ์กับการเชื่อมต่อแหล่งภายในทำให้สามารถเพิ่มความเร็วการสวิตช์ของมอสเฟต SiC ได้สูงสุด ช่วยลดการสูญเสียการสวิตช์ทั้งหมด (เปิดและปิด) ได้ถึง 35% เมื่อเทียบกับแพคเกจ TO-247N แบบสามพินทั่วไป
ข้อกำหนดที่แตกต่างที่สองสำหรับมอสเฟตรุ่นที่ 4 คือพิกัดแรงดันไฟฟ้า อุปกรณ์มีพิกัดแรงดันไฟฟ้า 750 โวลต์หรือ 1200 โวลต์ อุปกรณ์ทั้งสองที่กล่าวถึงจนถึงขณะนี้มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ 750 โวลต์ สำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูง SCT4062KEC11 คือ มอสเฟต SiC N-channel 1200 โวลต์, 62 mΩ, 26 A (+25°C)/18 A (+100°C) ในแพ็คเกจ TO-247N แบบทรีลีด ในขณะที่ SCT4036KRC15 คือ มอสเฟต N-channel 1200 โวลต์, 36 mΩ, 43 A (+25°C)/30 A (+100°C) ในแพ็คเกจ TO-247-4L แบบโฟว์ลีด รวมแล้วตอนนี้มีมอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 ทั้งหมด 10 แบบ โดยมีพิกัดกระแสไฟตั้งแต่ 26 A ถึง 105 A ที่ +25°C มีค่า RDS(ON) ตั้งแต่ 13 ถึง 62 mΩ
การใช้งานใน EV
ข้อมูลจำเพาะของมอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 นั้นเข้ากันได้ดีกับการใช้งาน EV ตัวอย่างแบตเตอรี่ EV (BEV) ที่มีแรงดันไฟฟ้า 400 หรือ 800 โวลต์ (รูปที่ 7)
รูปที่ 7: โดยทั่วไปในการใช้งานมอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 ใน BEV และอุปกรณ์เสริมภายนอกที่เกี่ยวข้อง (แหล่งที่มาภาพ: ROHM Semiconductor)
รูปที่ 7 แสดงแผนภาพของ BEV ที่มีแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่ 400 หรือ 800 โวลต์ ซึ่งรองรับการชาร์จทั้งแบบสองทิศทางและแบบเร็ว ที่ชาร์จออนบอร์ด (OBC) ประกอบด้วยวงจรแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) ของขั้วโทเท็มโพล และตัวแปลงเรโซแนนซ์ CLLC (ตัวเก็บประจุ, ตัวเหนี่ยวนำ, ตัวเหนี่ยวนำ, ตัวเก็บประจุ) แบบสองทิศทาง ที่ชาร์จ DC 'Quiq' แบบชาร์จภายนอกเป็นการชาร์จแบตเตอรี่โดยตรง แบตเตอรี่จะขับเคลื่อนแทร็กชันอินเวอร์เตอร์ ซึ่งจะแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสเพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ วงจรทั้งหมดนี้ใช้มอสเฟตในการกำหนดค่าวงจรต่างๆ เพื่อรองรับระดับพลังงานที่ต้องการ มอสเฟต SiC รุ่นที่ 4 มีความสำคัญเนื่องจากจะลดขนาดทางกายภาพของวงจรและเพิ่มอัตราแรงดันไฟฟ้าในขณะที่ลดการสูญเสียและต้นทุน
สรุป
สำหรับนักออกแบบการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง รวมถึง EV, ศูนย์ข้อมูล และสถานีฐาน มอสเฟตรุ่นที่ 4 เป็นอุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานที่สำคัญ ดังที่แสดงไว้ข้างต้น พวกเขาใช้โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอย่างมาก โดยการลดการสูญเสีย ขณะเดียวกันก็ลดพื้นที่และต้นทุนด้วย
บทความที่แนะนำ:

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.