Como projetar com MOSFETs de SiC para melhorar a eficiência do inversor de tração EV

Os engenheiros enfrentam uma contrapartida entre o desempenho e a gama de veículos elétricos modernos (EV). Acelerações mais rápidas e velocidades de cruzeiro mais altas requerem paradas de recarga mais frequentes e demoradas. Por outro lado, um alcance mais longo vem ao custo de um progresso mais calmo. Para aumentar o alcance, ao mesmo tempo em que oferecem um desempenho superior dos acionadores, os engenheiros precisam projetar trens de força que garantam que a maior quantidade possível de energia da bateria seja transferida para as rodas acionadas. Igualmente importante é a necessidade de manter os trens de força suficientemente pequenos para caber dentro das restrições do veículo. Essas demandas duplas exigem componentes de alta eficiência e de alta densidade energética.

O componente chave em um trem de força EV é o inversor de fonte de tensão trifásica (ou "inversor de tração") que converte a tensão CC das baterias na CA necessária para o motor elétrico do veículo. A construção de um inversor de tração eficiente é fundamental para diminuir o compromisso entre desempenho e alcance, e uma das principais rotas para melhorar a eficiência é o uso adequado de dispositivos semicondutores de carbeto de silício (SiC) com ampla banda proibida (WBG).

Este artigo descreve o papel do inversor de tração EV. Em seguida, explica como projetar a unidade com transistores de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) em SiC, que pode produzir um trem de força EV mais eficiente do que aqueles que usam transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). O artigo conclui com um exemplo de inversor de tração baseado em MOSFET de SiC, e dicas de projeto sobre como maximizar a eficiência da unidade.

O que é um inversor de tração?

Um inversor de tração EV converte a corrente CC fornecida pelas baterias de alta tensão (HV) do veículo na corrente CA requerida pelo motor elétrico para produzir o torque necessário para mover o veículo. O desempenho elétrico do inversor de tração tem um impacto significativo sobre a aceleração e o alcance de direção do veículo.

Os inversores de tração contemporâneos são acionados por sistemas de baterias HV de 400 volts, ou mais recentemente, projetos de 800 volts. Com correntes inversoras de tração de 300 ampères (A) ou maiores, um dispositivo alimentado por um sistema de bateria de 800 volts é capaz de fornecer mais de 200 quilowatts (kW) de potência. Conforme a potência subiu, o tamanho dos inversores encolheu, aumentando significativamente a densidade de potência.

Os EV com sistemas de baterias de 400 volts exigem inversores de tração com dispositivos semicondutores de potência classificados na faixa de 600 a 750 volts, enquanto os veículos de 800 volts exigem dispositivos semicondutores classificados na faixa de 900 a 1200 volts. Os componentes de potência utilizados nos inversores de tração também devem ser capazes de suportar correntes CA de pico superiores a 500 A durante 30 segundos (s) e uma corrente CA máxima de 1600 A durante 1 milissegundo (ms). Além disso, os transistores de chaveamento e os acionadores de porta utilizados para o dispositivo devem ser capazes de lidar com essas grandes cargas, mantendo a alta eficiência do inversor de tração (Tabela 1).

Tabela 1: Requisitos típicos do inversor de tração 2021; a densidade de energia mostra um aumento de 250%, em comparação com 2009. (Fonte da imagem: Steven Keeping)

Um inversor de tração normalmente compreende três elementos de meia ponte (chaves interruptoras do lado de alta mais o lado de baixa), um para cada fase do motor, com acionadores de porta que controlam o chaveamento do lado de baixa de cada transistor. Todo o conjunto deve ser isolado galvanicamente dos circuitos de baixa tensão (LV) que alimentam o resto dos sistemas do veículo (Figura 1).

Figura 1: Um EV requer um inversor de fonte de tensão trifásica (inversor de tração) para converter a energia da bateria CC de alta tensão (HV) na energia CA requerida pelos motores elétricos dos veículos. O sistema HV, incluindo o inversor de tração, é isolado do sistema convencional de 12 volts do veículo. (Fonte da imagem: ON Semiconductor)

Os interruptores no exemplo mostrado na Figura 1 são IGBTs. Estes têm sido uma escolha popular para um inversor de tração porque são capazes de lidar com altas tensões, chavear rapidamente, oferecer boa eficiência e são relativamente baratos. Entretanto, como o custo dos MOSFETs de potência de SiC caiu e eles se tornaram mais disponíveis comercialmente, os engenheiros estão se voltando para esses componentes devido a suas notáveis vantagens sobre os IGBTs.

Vantagem dos MOSFETs de SiC para acionadores de porta de alta eficiência

As principais vantagens de desempenho dos MOSFETs de potência de SiC em relação aos MOSFETs convencionais de silício (Si) e IGBTs derivam do substrato semicondutor WBG dos dispositivos. Os MOSFETs de Si têm uma energia de banda proibida de 1,12 elétron-volts (eV) em comparação com os 3,26 eV dos MOSFETs de SiC. Isso significa que o transistor WBG pode suportar tensões de ruptura muito maiores do que os dispositivos de Si, bem como uma tensão de campo de ruptura resultante cerca de dez vezes maior do que Si. A alta tensão do campo de ruptura permite uma redução na espessura do dispositivo para uma determinada tensão, diminuindo a resistência "on" (RDS_(ON)) e assim reduzindo as perdas de comutação e aumentando a capacidade de transporte de corrente.

Outra vantagem chave do SiC é sua condutividade térmica, que é cerca de três vezes maior que a do Si. A maior condutividade térmica resulta em um menor aumento na temperatura de junção (T_j) para uma determinada dissipação de potência. Os MOSFETs de SiC também podem tolerar uma temperatura máxima de junção (T_j(max)) mais alta do que o Si. Um valor típico de T_j(max) para um MOSFET de Si é 150 ˚C; os dispositivos de SiC podem suportar uma T_j(max) de até 600 ˚C, embora os dispositivos comerciais sejam tipicamente dimensionados em 175 a 200 ˚C. A Tabela 2 fornece uma comparação de propriedades entre Si e 4H-SiC (a forma cristalina de SiC comumente usada para fabricar MOSFETs).

Tabela 2: Um campo de ruptura do MOSFET de SiC, condutividade térmica e temperatura máxima de junção fazem dele uma escolha melhor do que Si para aplicações de chaveamento de alta corrente e alta tensão. (Fonte da imagem: ON Semiconductor)

A alta tensão de ruptura, baixa R_DS(ON), alta condutividade térmica e alta T_J(max) permitem a um MOSFET de SiC lidar com corrente e tensão muito maiores do que um MOSFET de Si de tamanho semelhante.

Os IGBTs também são capazes de lidar com altas tensões e correntes e tendem a ser menos caros do que os MOSFETs de SiC – uma razão principal para eles serem favorecidos em projetos de inversores de tração. O lado negativo dos IGBTs, particularmente quando o desenvolvedor está procurando maximizar a densidade de energia, é uma restrição à frequência máxima de operação devido à sua "corrente de cauda" e ao desligamento relativamente lento. Em contraste, um MOSFET de SiC é capaz de lidar com o chaveamento de alta frequência assim como um MOSFET de Si, mas com a capacidade de lidar com tensão e corrente de um IGBT.

Maior disponibilidade de MOSFETs de SiC

Até recentemente, o preço relativamente alto dos MOSFETs de SiC tem limitado seu uso nos inversores de tração para EVs de luxo, mas a queda dos preços tem feito estes MOSFETs de SiC uma opção para uma variedade mais ampla.

Dois exemplos desta nova geração de MOSFETS de potência de SiC vêm da ON Semiconductor: o NTBG020N090SC1 e o NTBG020N120SC1. A maior diferença entre os dispositivos é que o primeiro tem uma tensão máxima de ruptura dreno-fonte (V_(BR)DSS) de 900 volts, com uma tensão porta-fonte (V_GS) de 0 volts e uma corrente permanente de dreno (I_D) de 1 miliampere (mA), enquanto o segundo tem uma tensão máxima V_(BR)DSS de 1200 volts (sob as mesmas condições). O T_j máximo para ambos os dispositivos é 175 ˚C. Ambos os dispositivos são MOSFETs de um canal N em um invólucro D2PAK-7L (Figura 2).

Figura 2: Os MOSFETs de potência de SiC de canal N NTBG020N090SC1 e NTBG020N120SC1 vêm num invólucro D2PAK-7L e diferem principalmente em seus valores V_(BR)DSS de 900 e 1200 volts, respectivamente. (Fonte da imagem: Steven Keeping, utilizando material da ON Semiconductor)

O NTBG020N090SC1 tem um R_DS(ON) de 20 miliohms (mΩ) com um V_GS de 15 volts (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C), e um R_DS(ON) de 16 mΩ com um V_GS de 18 volts (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). A corrente direta máxima permanente do diodo de dreno-fonte (I_SD) é de 148 A (V_GS = -5 volts, T_j = 25 ˚C), e a corrente direta máxima pulsada do diodo de dreno-fonte (I_SDM) é de 448 A (V_GS = -5 volts, T_j = 25 ˚C). O NTBG020N120SC1 tem um R_DS(ON) de 28 mΩ a um V_GS de 20 volts (I_D = 60 A, T_j = 25 ˚C). O I_SD máximo é 46 A (V_GS = -5 volts, T_j = 25 ˚C), e o I_SDM máximo é 392 A (V_GS = -5 volts, T_j = 25 ˚C).

Projetando com MOSFETs de SiC

Apesar de suas vantagens, os projetistas que procuram incorporar MOSFETs de SiC em seus projetos de inversores de tração devem estar cientes de uma complicação significativa; os transistores têm requisitos complicados de acionamento da porta. Alguns desses desafios surgem do fato de que, comparados aos MOSFETs de Si, os MOSFETs de SiC apresentam menor transcondutância, maior resistência interna da porta e o limiar de ativação da porta pode ser inferior a 2 volts. Como resultado, a porta deve ter potencial abaixo do terra (normalmente até -5 volts) durante o estado desligado para garantir um chaveamento adequado.

Entretanto, o principal desafio de acionamento da porta surge do fato de que um V_GS grande (até 20 volts) deve ser aplicado para garantir uma R_DS(ON) baixa. A operação de um MOSFET de SiC em um V_GS que é muito baixo pode resultar em estresse térmico ou mesmo falha devido à dissipação de potência (Figura 3).

Figura 3: Para o MOSFET de SiC NTBG020N090SC1, é necessário um V_GS elevado para evitar o estresse térmico do alto R_DS(ON). (Fonte da imagem: ON Semiconductor)

Além disso, como um MOSFET de SiC é um dispositivo de baixo ganho, o projetista deve levar em conta o impacto que isso tem sobre várias outras características dinâmicas importantes ao projetar um circuito de acionamento de porta. Estas características incluem o platô Miller de carga na porta e a exigência de proteção contra sobrecorrente.

Estas complicações de projeto exigem um acionador de porta especial com os seguintes atributos:

• Uma capacidade de fornecer um acionamento V_GS de -5 a 20 volts para aproveitar ao máximo os benefícios de desempenho do MOSFET de SiC. Para fornecer uma folga adequada para atender a esta exigência, o circuito de acionamento da porta deve ser capaz de suportar V_DD = 25 volts e V_EE = -10 volts.
• O V_GS deve ter bordas de subida e descida rápidas, da ordem de alguns nanossegundos (ns).
• O acionamento da porta deve ser capaz de fornecer corrente de pico elevada na ordem de vários amperes, em toda a região do platô Miller do MOSFET.
• O dimensionamento da corrente drenada deve exceder a que seria necessária para apenas descarregar a capacitância de entrada do MOSFET de SiC. Para topologias de meia ponte e alto desempenho, deve ser considerado um dimensionamento mínimo da corrente drenada de pico na ordem de 10 A.
• Baixa indutância parasitária para comutação de alta velocidade.
• Invólucro pequeno do acionador capaz de ser localizado o mais próximo possível do MOSFET de SiC e de aumentar a densidade de energia.
• Uma função de dessaturação (DESAT) capaz de detectar, relatar falhas e proteger para uma operação confiável a longo prazo.
• Um nível de bloqueio de subtensão V_DD (UVLO) que é compatível com a exigência de V_GS > 16 volts antes do início da comutação.
• Capacidade de monitoramento V_EE UVLO para assegurar que a trilha de tensão negativa esteja dentro de uma faixa aceitável.

A ON Semiconductor introduziu um acionador de porta projetado para atender a estes requisitos nos projetos de inversores de tração. O acionador de porta MOSFET de SiC NCP51705MNTXG apresenta um alto nível de integração tornando-o compatível não apenas com seus MOSFETs de SiC, mas também com os de uma ampla gama de fabricantes. O dispositivo inclui muitas funções básicas comuns aos acionadores de portas de uso geral, mas também apresenta os requisitos especializados necessários para projetar um circuito de acionamento de porta com MOSFET de SiC confiável usando o mínimo de componentes externos.

Por exemplo, o NCP51705MNTXG incorpora uma função DESAT que pode ser implementada usando apenas dois componentes externos. DESAT é uma forma de proteção contra sobrecorrente para IGBTs e MOSFETs para monitorar uma falha na qual o V_DS pode subir em I_D máximo. Isto pode afetar a eficiência e, na pior das hipóteses, possivelmente danificar o MOSFET. A Figura 4 mostra como o NCP51750MNTXG monitora o V_DS do MOSFET (Q1) via pino DESAT através do R1 e D1.

Figura 4: A função DESAT do NCP51705MNTXG mede o V_DS por comportamento anômalo durante períodos de I_D máximo e implementa a proteção contra sobrecorrente. (Fonte da imagem: ON Semiconductor)

O acionador de porta NCP51705MNTXG também possui UVLO programável. Esta é uma característica importante ao acionar MOSFETs de SiC porque a saída do componente de chaveamento deve ser desativada até que o V_DD esteja acima de um limite conhecido. Permitir que o acionador chaveie o MOSFET em V_DD baixo pode danificar o dispositivo. O UVLO programável do NCP51705MNTXG não apenas protege a carga, mas verifica para o controlador que o V_DD aplicado está acima do limite de ativação. O limiar de ativação UVLO é definido com um único resistor entre UVSET e SGND (Figura 5).

Figura 5: O limite de ativação UVLO para o MOSFET de SiC NCP51705MNTXG é definido pelo resistor UVSET, R_UVSET, que é escolhido de acordo com uma tensão de ativação UVLO desejada, V_ON. (Fonte da imagem: ON Semiconductor)

Isolação digital para inversores de tração

Para completar o projeto de um inversor de tração, o engenheiro deve garantir que o lado de baixa tensão do veículo esteja isolado das altas tensões e correntes que passam através do inversor (Figura 2 acima). No entanto, como o microprocessador que controla os acionadores de porta de alta tensão está no lado de baixa tensão, qualquer isolação deve permitir a passagem de sinais digitais do microprocessador para os acionadores de porta. A ON Semiconductor também oferece um componente para esta função, o NCID9211R2, um isolador digital bidirecional cerâmico de alta velocidade e de dois canais.

O NCID9211R2 é um isolador digital full-duplex, galvanicamente isolado, que permite a passagem de sinais digitais entre sistemas sem conduzir malhas de terra ou tensões perigosas. O dispositivo apresenta uma isolação máxima de trabalho de 2000 volts_pico, 100 quilovolts/milissegundo (kV/ms) de rejeição de modo comum, e uma taxa de transmissão de dados de 50 megabits por segundo (Mbit/s).

Os capacitores de cerâmica fora do chip formam a barreira de isolação como mostrado na Figura 6.

Figura 6: Diagrama de blocos ilustrando um único canal do isolador digital NCID9211R2. Os capacitores fora do chip formam a barreira de isolação. (Fonte da imagem: ON Semiconductor)

Os sinais digitais são transmitidos através da barreira de isolação usando uma modulação de polarização ON-OFF (OOK). No lado do transmissor, o estado lógico de entrada V_IN é modulado com um sinal portador de alta frequência. O sinal resultante é amplificado e transmitido para a barreira de isolação. O lado receptor detecta o sinal da barreira e o demodula usando uma técnica de detecção de envelope (Figura 7). O sinal de saída determina o estado lógico da saída V_O quando o controle de habilitação EN da saída for alto. O V_O é negligenciável a um estado de nível baixo e de alta impedância, quando a fonte de alimentação do transmissor estiver desligada, ou a entrada V_IN estiver desconectada.

Figura 7: O isolador digital NCID9211 usa a modulação OOK para transmitir informações digitais através da barreira de isolação. (Fonte da imagem: ON Semiconductor)

Conclusão

Os MOSFETs de potência de SiC são uma boa opção para inversores de tração de alta eficiência e alta densidade de potência para EVs, mas suas características elétricas trazem desafios de projeto únicos no que diz respeito aos acionadores de porta e à proteção do dispositivo. Além dos desafios de projeto, os engenheiros também devem garantir que seu projeto de inversor de tração ofereça isolação de alto nível da eletrônica sensível de baixa tensão do veículo.

Como mostrado, para facilitar o desenvolvimento da engenharia, a ON Semiconductor oferece uma gama de MOSFETs de SiC, acionadores de porta especializados e isoladores digitais para atender às exigências dos inversores de tração, e conseguir um melhor equilíbrio entre longo alcance e alto desempenho para EVs modernos.