ROHM Semiconductorsin RGS-sarja tarjoaa laajan valikoiman AEC-Q101-standardoituja IGBT-piirejä 1200 ja 650 voltin versioina. Sarjan häviöt ovat markkinoiden pienempiä, joten niillä voidaan kasvattaa sovellusten tehokkuutta ja minimoida niiden koko. IGBT:t ovat ihanteellisia esimerkiksi sähkökompressoreiden inverttereissä ja suurjännitelämmittimissä, kirjoittaa ROHM kesäkuussa ilmlestyneessä ETNdigi-lehdessä.

Sähköautot ovat paljon tehokkaampia kuin perinteiset polttomoottorilla varustetut ajoneuvot. Yksi seuraus tästä tehokkuudesta on, että moottorista syntyvä hukkalämpö ei enää riitä lämmittämään ajoneuvon sisätilaa riittävästi. Tämän takia osa akkuun varastoidusta energiasta on muunnettava lämmöksi.

Säädettävän lämmitystehon mahdollistamiseksi ilman, että ollaan riippuvaisia käyttölämpötilasta tai akkujännitteestä, käytetään tehopuolijohteiden mahdollistamia uuden sukupolven korkeajännitelämmittimiä. Ne säätelevät energian virtausta akusta lämmityselementtiin. Lämmityselementti lämmittää jäähdytysnesteen, joka on kytketty ajoneuvon ilmastointi-järjestelmään lämmönvaihtimen kautta. Puhallin työntää lämpimän ilman sisätiloihin. Tämä on esitetty kaaviona oheisessa kuvassa 1.

Normaali sähköajoneuvo tarvitsee 5-7 kilowatin lämmitystehon kattaakseen lämmön tarpeen. Jos autoa lämmitetään yksinomaan resistiivisellä kuormalla (lämmityselementti), auton kantama pienenee vastaavasti. Vaihtoehtoisesti on myös järjestelmiä, jotka eivät luota pelkästään vastuksiin lämmön tuottamisessa. Ne käyttävät lämpöpumppukonseptia, jossa lämpöenergia siirretään kylmästä lähteestä (ympäristöstä) lämpimään kohteeseen (sisätilaan) ulkoisesti toimitetun energian avulla.

Lämpöpumpun energiatasapaino on parempi kuin ohmisella kuormalla tuotettu lämpö ja se vaikuttaa ajoneuvon toiminta-alueeseenkin vähemmän. Tässä järjestelmässä ajoneuvon kustannukset kuitenkin nousevat ja lämmityksen tason määrää ympäristön lämpötila. Alueilla, joissa talvi on erittäin kylmä, nämä järjestelmät eivät pysty tuottamaan tarpeeksi lämpöä. Klassiset resistiiviset lämmittimet ovat näillä kylmän talven alueilla välttämättömiä.

Lämmitysjärjestelmät takaavat tietysti matkustajien mukavuuden, mutta niillä on myös tärkeitä turvallisuustoimintoja. Ne esimerkiksi sulattavat ikkunat tai kuivattavat sisätilat, jotta kuljettaja voi nähdä selkeästi ulos. Akkukin vaatii tietyn käyttölämpötilan, ja lämmitin varmistaa, että akku on aina ”vihreällä” lämpötila-alueella. Lämmitin voi toimia myös purkausvastuksena korkean jännitteen huipussa. Jos ajoneuvon sähköjärjestelmän jännite kasvaa eitoivotulla tavalla, lämmityslaite pystyy absorboimaan tätä energiaa ja rajoittamaan siten ylijännitteen määrää. Tämä suojaa akkua ja muita ajoneuvon sähköjärjestelmään kytkettyjä järjestelmiä.

Resistiivisen lämmittimen yksinkertaisin malli on esitetty kuvassa 2. Siinä kytkintä käytetään säädettävällä käyttöjaksolla siten, että antoteho vastaa aina ohjearvoa. Lämmön jakamiseksi paremmin on useampi haara kytketty rinnan, yleensä kaksi tai kolme. Lämmitysjärjestelmän turvallisen sammuttamisen mahdollistamiseksi häiriötilanteessa tarvitaan turvakatkaisimet, jotka kytketään pysyvästi päälle normaalin toiminnan aikana. Jos vika ilmenee, nämä kytkimet sammuvat ja irrottavat siten lämmityselementit ajoneuvon korkeajännitteisestä sähköjärjestelmästä.

AEC-Q101-KVALIFIOITU RGS-SARJA

Tässä tapauksessa käytetyt katkaisijat ovat yksinomaan IGBT-piirejä. Tämä tekniikka tarjoaa erittäin hyvät johtavuusominaisuudet suurille virroille. Suuremmat kytkentähäviöt eivät ole merkityksellisiä verrattuna MOSFET-piireihin, koska kytkentätaajuudet ovat kymmeniä hertsejä yltäen muutamaan kilohertsiin. Lisäksi näitä komponentteja on saatavana jänniteluokissa 650 ja 1200 volttia. Molemmat luokat vaaditaan yhteisiin lämmitysjärjestelmiin.

ROHM tarjoaa RGS-sarjan AECQ101-kvalifioituja, erilliskoteloituja IGBT-piirejä, jotka soveltuvat hyvin tähän sovellukseen. Nämä kestävät IGBT:t täyttävät lämmittimen tyypilliset vaatimukset, joista kerrotaan tarkemmin seuraavissa kappaleissa.

Suurin osa järjestelmistä on suunniteltu 400 voltin akuille, joita käytetään yleensä 650 voltin IGBT:tä. Viime aikoina on kuitenkin siirrytty kohti 1200 voltin ratkaisuja, jotta voidaan varmistaa lämmittimen suurempi ylijännitekyky. Jos virransyöttö akusta lämmittimeen keskeytyy äkillisesti, ajoneuvon sähköjärjestelmän johdot voivat aiheuttaa merkittäviä ylijännitteitä, jotka voivat vaurioittaa kytkimiä. Tehopuolijohteiden korkeampi läpilyöntijännite estää siten lämmittimen tuhoutumisen. 800 voltin järjestelmät toteutetaan 1200 voltin IGBT-komponenteilla. Näissä sarjayhteys voi tuottaa lisääntyneen ylijännitekuormituskapasiteetin.

Toinen tämän sovelluksen ominaisuus on kytkentänopeus (dVCE / dt, dIC / dt). Tämän määrittelee järjestelmä. Yleensä kytkentänopeus on rajoitettu alhaiseen arvoon, toisin kuin melkein kaikissa muissa sovelluksissa, joissa tavoitteena on kytkeä laite päälle ja pois päältä mahdollisimman nopeasti. Tämä johtuu EMC-rajoituksista ja tavoitteesta toimia ilman suotimia tai vähentää niiden käyttöä niin paljon kuin mahdollista kustannusten säästämiseksi.

Yksinkertainen tapa saavuttaa tämä on hidastaa IGBT:n kytkentää, jotta voidaan pienentää suuria taajuuksia kytkentäreunoilla. Tämä ratkaisu aiheuttaa suurempia häviöitä IGBT:ssä kytkennän aikana, mutta se ei vaadi lisäkomponentteja. Lisääntyneet häviöt voidaan kompensoida pienentämällä kytkentätaajuutta. Kytkentäajat ovat alle 10 mikrosekunnin luokkaa. Joissakin, harvoissa tapauksissa päästään hieman yli 10 mikrosekunnin aikoihin. Kuva 4 esittää IGBT -kytkentäprosessia hilavastuksella tuhansien ohmien alueella. Koska kuorma on resistiivinen eikä induktiivinen kuten tavallisesti, jänniteja virtakäyrät risteävät kytkentäprosessin keskellä.

Vaikka tämä tapa käyttää IGBT:tä voi tuntua epätavalliselta kokeneille suunnittelijoille, ei mikään estä sen käyttämistä. Kytkentäaikoja ei pidä kuitenkaan hidastaa liikaa. On vältettävä sitä, että IGBT:ssä syntyy liian suuria lämpötilapiikkejä kunkin kytkentätoiminnon aikana, koska se heikentäisi tehonsyöttökykyä. Lisäksi erittäin hitaat kytkentäajat voivat olla vaarallisia IGBT:lle, koska sitä käytetään alhaisemmalla hilajännitteellä kytkennän aikana. ROHM:n oma kokemus osoittaa, että kohtalainen hidas kytkeminen ei aiheuta ongelmia. Erilaisista suunnitteluprojekteista saadun kokemuksen ansiosta ROHM pystyy neuvomaan asiakkaitaan osaavasti näissä päätöksissä parhaan mahdollisen ratkaisun löytämiseksi.

Toinen ominaisuus, jota ei pidä unohtaa, on IGBT:n kyky kestää oikosulkuja, millä varmistetaan sammutus vikatilanteessa. Yleensä oikosulun havaitseminen vaatii muutaman mikrosekunnin reagointiajan. RGS-sarjan IGBT:t havaitsevat oikosulun 8 mikrosekunnissa 650 voltin jänniteluokassa ja 10 mikrosekunnissa 1200 voltissa. Tämä mahdollistaa minkä tahansa virheenkäsittelystrategian toteuttamisen onnistuneesti.

Tehopuolijohteiden valinnassa pitää tietenkin kiinnittää huomiota myös kotelointiin. Tässä sovelluksessa käytetään pääosin THT-komponentteja (through-hole technology). Nämä mahdollistavat helpon jäähdytyksen, kun ne voidaan kiinnittää ulkoiseen jäähdytyselementtiin. Tällä tekniikalla on varjopuolensa tuotannossa, koska se vaatii lisävaiheita. Pintaliitettävät komponentit, kuten laajalti käytetty TO-263, voidaan juottaa yhdessä muiden komponenttien kanssa yhdessä vaiheessa, mikä tuo kustannusetua. Vaikka jäähdytyksestä tulee näin vaativampaa, koska lämpö täytyy johtaa piirilevyn läpi, harkitsevat monet valmistajat edelleen tätä ratkaisua.

ROHM seuraa tarkkaan tekniikan kehityksestä käytäviä keskusteluja voidakseen reagoida nopeasti uusiin trendeihin. RGS-sarjan IGBT-valikoiman laajennusta pintaliitoseli SMT komponentteihin kehitetään parhaillaan. Kuva 3 esittää erilaisia ROHM:n RGS-sarjan IGBT-koteloita. Transistoreita TO-263:n pintaliitosasennukseen suunnitellaan parhaillaan kahtena versiona jänniteluokasta riippuen. 7-nastainen versio 1200 V:lle tarjoaa lisääntyneen ryömintäetäisyyden autoteollisuuden vaatimusten täyttämiseksi.

IGBT:n lisäksi ROHM:n valikoimassa on tietysti muitakin tuotteita, joita voidaan käyttää korkeajännitelämmittimissä. Näitä ovat porttiajurit, ohitusvastukset, komparaattorit, operaatiovahvistimet ja regulaattorit. IGBT:n alueella ROHM on kuitenkin ainoa valmistaja, joka tarjoaa kattavan valikoiman AECQ101-kvalifioituja IGBT-piirejä. Niitä on saatavana 30-50 ampeerin nimellisvirroilla, integroidulla diodilla tai ilman, TO-247-koteloituina. Lisäksi RGS-sarjaa tullaan laajentamaan pintoliitoskomponentteihin tämän vuoden aikana. Valikoimaan kuuluu 15–40 ampeerin IGBT:t integroidulla diodilla tai ilman TO-263-3L-koteloituina 650 V jänniteluokkaan ja 15 ampeerin komponentti TO-263–7L-kotelossa 1200 volttiin.

TO-247-koteloituja suurempia IGBT:tä laajennetaan lisäsi 650 V:n luokassa nykyisestä 50 ampeerista 75 ampeeriin. Laajan valikoiman ansiosta komponentit voidaan valita optimaalisesti vastaamaan lämmittimen toimintaoloja.

Lisätietoja ROHM:n sivuilta: Field Stop Trench IGBT

Tämä ja muut mielenkiintoiset artikkelit löytyvät uudesta ETNdigi-lehdestä.