כיום מעצבים יכולים סוף סוף להפיק תועלת משיבושים ברמת המערכת של טכנולוגיית SiC כדי לצמצם את כשלי הגודל, הרעש השדה של יחידות כוח עזר (APU) ברכבי הובלות.
בעוד פלח השוק של הרכבים החשמליים (EV) לצרכן גדל, צורות תחבורה אחרות רודפות גם הן אחר הטרנד המקרו-גלובלי, כולל רכבות, מטוסים, משאיות למשלוחים, רכבים לנסיעה בעיר ועוד. ישנן שתי מערכות חשמל שנפוצות בכל סוגי הרכבים החשמליים: יחידת כוח גרירה (TPU), שמספקת הנעה לרכב, ויחידת הכוח עזר (APU), שמספקת חשמל לכל שאר הרכיבים המשולבים, החל מהתאורה והדלתות ועד למיזוג האוויר ושקעי החשמל.
בניגוד לרכבים חשמליים לצרכן, שמציבים דגש על טווח לכל טעינה, למקרים אחרים של שימושים בתחבורה עשויים להיות סדר עדיפויות שונים באמצעות שיפורים ב-APU. שטח תא הנוסעים יקר במיוחד ברכבת קלה, למשל, שכן מקום פנוי מאפשר להסיע יותר נוסעים משלמים. לאמינות השדה יש חשיבות עליונה ברכבי כרייה, מכיוון שזמן ההשבתה שלהם נמדד במיליוני דולרים ליום. בכל מקרי השימוש, נוחות הנוסעים היא קריטית בשוק שמופעל על ידי יצרני OEM תחרותיים שפונים לקונים בררנים.
הפסדי המיתוג הגבוהים הגבוהים של IGBT מסיליקון חסמו שיפורים ב-APU לתחבורה. באמצעות הגבלת תדירות המיתוג, ה-IGBT קובע את הגודל המינימלי של הרכיבים הפיזיים הגדולים ביותר ב-APU של שנאי הבידוד ושל גוף הקירור. עם SiC, ניתן לצמצם באופן דרסטי את גודל שנאי הבידוד באמצעות מעבר למיתוג בתדרים גבוהים יותר. עם הפסדי מיתוג מופחתים ב-80% או יותר, אפשר לצמצם גם את הגודל של גופי הקירור. בנוסף, תדירויות מיתוג ה-APU יכולות להתרחב אל מעבר לטווח הקול שניתן לשמוע, ולבטל את היללות הצורמות שמייגעות את הנוסעים. לבסוף, היעילות חיונית מכיוון שה-APU פועל ללא הרף, לעיתים קרובות בעומס קל, הפסדי ההולכה של SiC MOSFETs נמוכים יותר מאלה של IGBTs מתחרים בתנאי עומס קלים.
האם SiC מסוגל לבצע את המשימה?
הקשיחות של SiC MOSFETs במגוון רחב של תנאים חיונית עבור מכשירי APU שמפעילים גם עומסים לנוחות וגם עומסים לחירום. יש לאמת את: 1) יציבות תחמוצת השער של MOSFET, בעיה ידועה ב- SiC MOSFETs 2) אורך חיי תחמוצת השער; 3) יציבות דיודת הגוף של ה-MOSFET; ו -4) אמצעים קשיחים למקרה של כשלים כגון עמידות בנפילת מתח ובקצר חשמלי.
שלמות תחמוצת השער
אם מתח הסף ישתנה, ביצועי המכשיר משתנים (למשל, עלייה בהתנגדות), דבר שמוביל להתנהגות לא יציבה של המערכת ולכשל אפשרי ב-APU. איור 1 ממחיש כיצד נתוני Vth עבור SiC MOSFETs באיכות גבוהה לא אמורים להציג שינוי משמעותי לאחר 1000 שעות מתח ב-175 C.
איור 1. מתח הסף של SiC MOSFETs באיכות גבוהה לפני ואחרי מתח שלילי (שמאל) וחיובי (ימין) בטמפרטורה גבוהה.
איור 2. דוגמה לחיי תחמוצת אקסטרפולציה איכותית של SiC MOSFET מבית Microchip.
אפשר לחזות את חיי תחמוצת השער על ידי גרימת כשל לדגימות באמצעות טמפרטורה מוגברת ושדה חשמלי. אנרגיית ההפעלה מופקת עבור כל מצב כשל, ומשוואת Arrhenius משמשת להארכת חיי התחמוצת (ראו איור 2). תחמוצת שער SiC MOSFET באיכות גבוהה יכולה להחזיק מעמד הרבה יותר מ-100 שנים במתח גבוה, ולהבטיח פעולה שגרתית בטיחותית ואמינה של APU מעבר לכל חיי השירות המתוכננים.
יציבות דיודת הגוף
בניגוד ל-IGBT, ה-SiC MOSFET יכול לנהל זרם הפוך באמצעות דיודת הגוף הפנימית שלו. בחלק מהמכשירים הדיודה הזו מתפרקת עם הזמן, דבר שמוביל ל-RDS,on מוגבר, וליותר חום מכפי שתוכנן. איור 3 מציג עקומות I-V של דיודת גוף והתנגדות בין drain ל-source של MOSFET במצב פועל (RDSon) לאחר שעות רבות של מתח קדמי קבוע [1]. בין הספקים נראתה שונות רבה. אצל ספק אחד הייתה הפחתה ניכרת, אצל אחר היא הפכה לבלתי שמישה. המכשירים שנבחרו לא אמורים להפגין שינויים ניכרים. שימוש ב-SiC MOSFET עם דיודת גוף יציבה משפר את האמינות ומוזיל עלויות באמצעות ביטול הדיודה האנטי-מקבילה.
איור 3. RDSon לפני ואחרי מתח עבור SiC MOSFETs, שזמינים מסחרית, ממחישים את השינוי באיכות של דיודת הגוף הפנימית של שלושה ספקים [1].
הישרדות שדה: קצר חשמלי ונפילת מתח
מכשירי APU לתחבורה חשופים לתקלות במגוון תנאים, שדורשים SiC MOSFET שנועדו לנסיעה בטוחה באירועים מסוג זה ולשמירה על ביצועים עקביים לפני ואחרי תקלות.
יכולת העמידות בקצר חשמלי מודדת את יכולתו של MOSFET לשרוד קצר חשמלי מיידי בקישור ה-DC של מסופי ה-drain-source שלו. ערוצי ה-MOS משופרים ומאפשרים למכשיר שתוכנן כראוי להפיץ בבטחה זרמי שיא ברחבי האזור המת של ה-MOSFET. איור 4 מציג זמני עמידות בקצרים חשמליים (SCWT) עבור SiC MOSFETs איכותיים -הדוגמה של Microchip היא בין 3 ל-14 מיקרו-שניות, עם תלות במתח ה-DC Link וב-VGS שהוחל. זה מספיק להרבה מנהלי התקנים של שערים שזמינים מסחרית. מנהל התקן מתקדם, כמו זה שמתואר בסעיף הבא, מוסיף אינטליגנציה לגילוי קצר חשמלי.
איור 4. זמן העמידות בקצר חשמלי עבור SiC MOSFETs איכותיים.
העמידות בנפילת מתח תובענית אפילו יותר: זרם העומס נזרק לפתע לתוך ה-MOSFET, דבר שמאלץ את מתח ה-drain-source לעלות ולהתמוטט. בניגוד לקצר חשמלי, ערוצי ה-MOS אינם משופרים, זרם נפילת המתח ממלא את קצה האזור המת, ומביא את המכשיר למגבלותיו התרמיות במהירות.
מיתוג אינדוקטיבי פתוח חוזר (R-UIS) משמש להערכת החוסן של מכשיר מפני נפילת מתח. איור 5 מציג נפילת מתח דיאלקטרית תלויה בזמן (TDDB) עבור SiC MOSFETs מסחריים לפני ואחרי 100,000 מחזורים של R-UIS. ספקים רבים שומרים על חוזקה של התחמוצת אך היכולת להפגין עד פי ארבעה מהקשיחות לצד יציבות ב-RDSon ודליפת drain-source [2] מחזקת את יכולתו של SiC MOSFET לפעול בבטחה בתנאי המתח החשמלי התובעניים ביותר.
איור 5. נפילת מתח דיאלקטרית תלויה בזמן לפני ואחרי כשל נפילת מתח חוזר עבור SiC MOSFETs שזמינים מסחרית אצל ארבעה ספקים.
החלף מהר יותר עם אריזות בעלות השראות נמוכה
בשילוב עם קצבים גבוהים בקצה, השראות בעייתיות במערכת חש מל גורמות להפסדי מיתוג גבוהים יותר, למתח יתר, ל-EMI שאינו תואם ולכשל ב-APU. אמצעי המניעה שבהם מעצבים לנקוט כדי להאט את מהירות ה-MOSFET עשוייםלגרום לרבים לתהות מה קרה להצעת הערך של SiC.
חבילת SP6LI בהשראות נמוכה של Microchip ממחישה כיצד ניתן לפתור את הבעיות ה ללו. הפורמט בשלב תצורת רגל מכניס פחות מ-3 ננו-נגרויות של השראות טפיליות ללולאת החשמל. מבפנים, בוצעו אופטימיזציות לפריסה כדי להבטיח תזמון זהה ושיתוף זרם. ניתן לשפר את הביצועים התרמיים בעזרת קרמיקה של סיליקון ניטריד (גם אלומיניום ניטריד מוצע), ואפשרויות לוחית הבסיס כוללות נחושת ו-AlSiC. מבחוץ, מסופי החשמל מאפשרים חיבור בעל השראות נמוכה ל-dc link והקבלה אופטימלית לשתי כיוונים. ה-SP6LI מאפשר למעצב להניע את ה-SiC MOSFET במהירויות גבוהות יותר, ביעילות מרבית וב-EMI מופחת, בעוד הוא מכווץ את ה-APU תוך מניעת כשלים שקשורים ל-EMI.
מנהלי התקני שער שומרים על האיזון של ה-APUs.
ניתן לייעל את הביצועים והאמינות של ה-APU גם באמצעות מנהלי התקני שערים דיגיטליים ניתנים לתכנות שמאפשרים לכוונן את המתח ואת הפסדי המיתוג תוך כדי תנועה. הדבר מאפשר למעצבי APU להפחית את העלות והגודל של APU עם חלקים במתח נמוך יותר וגופי קירור קטנים יותר-ולבטל שעות בעזרת מלחם וסל של נגדי שער.
ניתן לראות את ההשפעה של מיתוג מוגבר באיור 6. בניגוד לכיבוי רגיל (משמאל), כיבוי מוגבר מתחיל במתח של 20 וולט במצב פועל, עובר לרמת ביניים שתוכנתה על ידי המשתמש למשך זמן שהייה מוגדר, ולבסוף ל-5 וולט במצב כבוי. ההשפעות צנועות בשל ההשראה הנמוכה במיוחד של SP6LI, תוצאות שהתפרסמו במקומות אחרים מראות השפעה בולטת יותר [2,3]. בנוסף, אירועים של קצרים חשמליים נעצרים במהירות, ומפחיתים את שיא המתח והזרם ב-60% ו-10%, בהתאמה (איור 7).
איור 6. ממשק משתמש גרפי למנהל התקן שער AgileSwitch™ ניתן לתכנות וצורות גל כיבוי באמצעות שימוש במיתוג קונבנציונאלי (משמאל) ומיתוג מוגבר (מימין).
איור 7. הדגמה כיצד מיתוג מוגבר (מימין) יכול להפחית מתח שיא וזרם שיא במהלך אירוע של קצר חשמלי, בהשוואה למיתוג רגיל (משמאל).
פתרון כולל למערכת SiC
מעצבים שמעוניינים לייעל את הערכת הפעימה הכפולה באמצעות ייצור נפח יזדקקו לערכות פיתוח מואצות שמשלבות את כל שלושת החלקים לפתרון המערכת הכולל של SiC עבור APU של מערכות תחבורה: מכשירי חשמל מחוספסים מסוג SiC, חבילת חשמל בעלת השראה נמוכה ומנהל התקן שער חכם. איור 8 מראה כיצד ניתן להוריד את הפתרון של Microchip למעגל APU.
איור 8: ההצעה להטמעת גשר מלא להחלפת הפאזה של ה-Microchip ASDAK+ בחלק DC-DC של APU לתחבורה. [4]
סיכום
השימוש במכשירי SiC MOSFET ביחידות כוח עזר לרכבי תחבורה מציע יתרונות משבשים על פני IGBT מסיליקון ביחס לגודל, משקל, יעילות והרעש של ה-APU. עם זאת, יתרונות אלה עשויים להתממש רק עם אמינות שטח גבוהה באמצעות SiC MOSFET מחוספס, אריזות בעלות השראות נמוכה ומנהל התקן שער חכם מספיק כדי להשתלט על הביצועים הזריזים של SiC. מעצבים יכולים כעת לפתור את האתגרים של תכנון APU תחבורתי עם פתרונות מערכת ה-SiC הכוללים שמאפשרים במקביל להפחית את הגודל, הרעש והכשלים בשטח של APU לתחבורה.
הפניות
[1] א. אגרוול ו-מ. קאנג private communication, 2020.
[2] ק. ספיר, נ. שטיש וס. בונטמפס “ייעול הפיתוח של SiC עם פתרון מערכת כולל”, מגזין IEEE Power Electronics, כרך. 7, מס’ 4, עמ’ 28-35, 2020.
[3] נ. שטיש, כ. רובינס וא. פנדר, “מצב מנהלי ההתקנים החכמים של שערי SiC MOSFET” עמ’ 30-33, פברואר 2018.
[4] נ. שטיש, “MOSFETs מסיליקון קרביד: יש לטפל בזהירות”. כנס יישומי כוח אלקטרוניקה (APEC) של Proc, סן אנטוניו, טקסס, ארה”ב, 2018.
[5] ה. היישייה וק. קונדו “מגמות אחרונות ביישומי אלקטרוניקה חשמליים כפתרונות ברכבות חשמליות”, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, כרך. 15: עמ’ 632-645, 2020.
