Piikarbidiin perustuvat SiC-kytkimet tuovat merkittäviä parannuksia muun muassa sähköauton akkujen lataamiseen ja moottorien ohjaukseen. Lataus- ja ohjauselektroniikan tehotiheyttä ja käytettävissä olevan tilan tarkkaa hyödyntämistä voidaan vielä parantaa modulaarisella SiC Cube -rakenteella, jossa eri toiminnoista vastaavat piirikortit on sijoitettu kompaktiin kuutiomaiseen pakettiin.

Polttomoottorin käyttö ajoneuvon ensisijaisena voimanlähteenä on hiipumassa, ja vaihtoehtona autoteollisuudessa suositaan sähkömoottoria. OEM-valmistajat puolestaan etsivät puolijohdeteollisuudesta uusia innovaatioita, joita tarvitaan tämän sähköistetyn tulevaisuuden toteuttamiseen.

Akkukäyttöiset sähköajoneuvot (BEV) ovat tällä hetkellä suosituin lähestymistapa, ja kaikki haluavat hallita osaamista, jota tarvitaan niiden tekemisessä mahdollisimman houkutteleviksi. Vaikka monet käyttäjät ovat turhankin innoissaan auton sisätiloissa olevista vimpaimista ja toiminnoista, ajoneuvon toimintamatka ja latausmahdollisuudet ovat edelleen kuluttajien keskeisiä huolenaiheita.

Laajan kaistavälin (WBG) puolijohteet, kuten piikarbidi (SiC), hyötyvät tästä autojen voimanlähteen muutoksesta ja tarjoavat huomattavia etuja verrattuna perinteisiin IGBT:n kaltaisiin tehokytkimiin, joihin aiemmin on luotettu. Myös passiivikomponenttien valmistajat työskentelevät ahkerasti. Induktiivisten osien uudet innovaatiot auttavat varmistamaan WBG-tekniikan edut entistä nopeampana kytkentäratkaisuna, joka tarjoaa ajoneuvoille enemmän toimintamatkaa sekä nopeampaa ja luotettavampaa lataustekniikkaa.

Kaiken takana on konkreettinen kysyntä. Sähköautokaupan liikevaihdon odotetaan nousevan tänä vuonna yli 620 miljardiin dollariin ja sen odotetaan kasvavan edelleen 10 prosentin vuosivauhtia [1]. Tämän seurauksena teillemme saataisiin yli 13 miljoonaa uutta BEV-autoa vuosikymmenen loppuun mennessä.

SiC MOSFETien uusia sukupolvia julkaistaan jatkuvasti ja paranneltuja passiivikomponentteja otetaan säännöllisesti käyttöön. Suunnittelijat pohtivat kaiken aikaa, kuinka niiden tarjoamia etuja voidaan hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti.

Yhteisiä piirteitä laturien muuntimissa

Tärkeä kehityksen painopistealue on EV-autojen lataus. Sekä BEV-ajoneuvoissa että ladattavissa hybrideissä (PHEV) on sisäänrakennettu laturi (OBC), joka voi tällä hetkellä toimia tehoalueella 3,6 – 22 kW. Laturiin voidaan syöttää vaihtovirtaa (AC) sähköverkosta kotona tai teidenvarsille ja parkkipaikoille sijoitettujen latauspisteiden kautta. Kotona tai työpaikalla tämä on ihanteellinen tapa täydentää akun varaustilaa ajoneuvon ollessa levossa.

Pidemmillä matkoilla tarpeellinen pikalataus on mahdollista tasavirtaa syöttävien DC-laturien avulla. Ne voivat syöttää tehoa 40-300 kilowattia tai jopa enemmän ohittamalla OBC-laturin ja lataamalla suoraan lähes tyhjän akun 80% varaustilaan noin 20-60 minuutissa.

Kummassakin tapauksessa laturin perusrakenne on samanlainen. Vaihtovirta syötetään tehokertoimen korjausyksikköön (PFC) ja sen jälkeen DC/DC-muuntimeen, joka syöttää akun latauspiiriä (kuva 1).

Kuva 1. Sähköauton latausjärjestelmän peruslohkot.

Energiatehokkuus eli korkea hyötysuhde on elintärkeä ominaisuus lämpöhäviöiden minimoimiseksi ja energian säästämiseksi, kun taas käytettävissä oleva tila ja suunnittelun sanelemat painotavoitteet tuovat paineita tehotiheyden vaatimuksiin. Lisäksi sähköautot nähdään mahdollisena teholähteenä sähköverkon häiriöiden tasapainottamisessa (V2G eli autosta verkkoon) tai jopa sähkön toimittajana kotiin hätätilanteissa (V2H eli autosta kotiin).

Tämä tarkoittaa, että laturit tarvitsevat kaksisuuntaisia rakenteita: toteemityyppisiä PFC-korjaimia, kaksoisaktiivisia siltoja (DAB) ja LLC-rakenteisia DC/DC-muuntimia. Kaikissa näissä hyödynnetään peruselementtinä siltahaaraa, ja sähkömoottorien inverttereissäkin tämä elementti on käytössä.

Kuva 2. Siltahaara on yleinen peruselementti PFC-, DC/DC- ja invertterirakenteissa.

Modulaarinen SiC-ratkaisu

Minkään mainitun rakenteen suunnittelu ei ole yksinkertaista, ja testauksen aikana esiintyy suuria jännitteitä ja virtoja. Toistuvat piiriosat näissä topologioissa tarjoavat kuitenkin mahdollisuuden käyttää modulaarisuutta keinona arvioida nopeasti erilaisia lähestymistapoja.

Esimerkiksi tulopuolen kelat, yksittäiset siltahaarat ja lähdön kondensaattorit voidaan eristää PFC-korjaimessa. Tulo- ja lähtöjännitteiden sekä virtojen mittaukset ja SiC MOSFETien ohjaus voidaan antaa neljännelle elementille, joka vastaa järjestelmän ohjauksesta. Tätä tarkoitusta varten digitaalisiin muunninsovelluksiin erityisesti suunniteltu mikro-ohjain on ihanteellinen ratkaisu (kuva 3.)

Kuva 3. PFC-korjaimen osat voidaan jakaa tulopuolen keloihin, lähdön kondensaattoreihin, siltahaaroihin ja ohjauslohkoon. Lohkoja käytetään myös DC/DC-muuntimissa ja moottorien inverttereissä.

Tätä lähestymistapaa on käytetty kehitettäessä modulaarisen EV-laturin referenssikonseptia (kuva 4). Se jakaa toteutuksen seitsemään piirilevyyn (PCB). Ytimessä ovat kytkinkortit, joissa on neljä SiC MOSFET -kytkintä nollapisteeseen lukitussa NPC-kytkennässä (Neutral Point Clamped).

Tämä tukee lämpökuorman ja jänniterasituksen jakamista kytkimien välillä ja vähentää kelojen magneettivuon (Vs) aaltoilua. Mukana on kaksi SiC-pohjaista Schottky-sulkudiodia (SBD), neljä hilaohjainta ja monimutkainen ohjelmoitava logiikkapiiri (CPLD), jotka yhdessä tuottavat tarkan kytkentätoiminnon sekä neljä ohjaussignaalia, jotka tarvitaan piiriratkaisun toimintaa varten.

Kussakin SiC MOSFETissa on sisäinen SBD-diodi, jonka myötäjännite on vain 1,35 volttia. Tämä integroitu sulkudiodi on avainasemassa, kun halutaan rajoittaa on-resistanssin muutoksia käyttöiän aikana. R_DS(ON) × Q_gd (hila-nielu-varaus) on 80% alhaisempi kuin edellisen sukupolven SiC-kytkimillä, ja laajempi V_GSS-luokitus -10 V - +25 V puolestaan yksinkertaistaa hilaohjainpiirien suunnittelua.

Kuten missä tahansa tehonmuuntimessa, kytkimien optimaalinen ohjaus vaaditaan sovelluksen koko käyttöiän ajan. Tämä toteutetaan käyttämällä optisesti eristettyä TLP5214-hilaohjainta, joka tuottaa nopeaa kytkentää varten ±4,0 A lähtövirran, joka sitten syötetään Toshiban kolmannen sukupolven SiC MOSFETeille. Ohjaimeen on myös integroitu aktiivinen Miller-lukitus, joka estää kytkimien käynnistymisen parasiittisen dV/dt-liipaisun aiheuttamana.

Kompakti kuutiorakenne avuksi

Kompaktin kuutiorakenteen (SiC Cube) saavuttamiseksi vaadituilla tehotasoilla suuria virtoja välittävien reittien liitännät on toteutettu kuparisilla kiskoilla ja mekaanisilla välikappaleilla, jotka pitävät piirilevyt yhdessä. Tämä ratkaisu johtaa loisinduktanssien kasvuun, mikä hieman rajoittaa käytettävissä olevia kytkentänopeuksia, mutta toisaalta se pitää PCB-rakenteen yksinkertaisena.

Kuva 4. SiC Cube -rakenteen yksityiskohdat virtaa kuljettavista kuparikiskoista ja mekaanisista välikappaleista.

Isoja keloja ja kondensaattoreita sisältävillä piirilevyillä (kuva 5) on samanlaiset virran ja jännitteen mittauspiirit. Virrat mitataan Hall-antureilla ja jännitteet differentiaalisesti käyttäen eristettyä operaatiovahvistinta TLP7820. Sen tulopuolella käytetään sigma-delta-tyyppistä AD-muunninta ledin ohjaamiseen.

Tuloksena saatava optinen signaali syötetään vahvistimeen 1-bittisen AD-muuntimen ja alipäästösuotimen kautta. Tämä lähestymistapa tarjoaa suuren vahvistustarkkuuden (± 0,5 %), pienen vahvistusryöminnän (0,00012 V/°C) ja alhaisen epälineaarisuuden (0,02 % kun VIN = ± 200 mV). TLP7820-piiri täyttää sekä UL/cUL- että VDE/CQC-normien vaatimukset.

Kuva 5. Sekä kela- että kondensaattorilevyillä on samanlaiset mittauspiirit virroille ja jännitteille.

Silta-, kela- ja kondensaattorikorttien yläpuolelle sijoitetulla ohjainkortilla on TXZ+ Arm Cortex-M4F -tyyppinen mikro-ohjain. Erityisesti digitaaliseen tehonsäätöön soveltuvan tästä ohjainpiiristä tekevät sen pulssinleveysmodulaatiota hyödyntävät PWM-lohkot, jotka sisältävät komplementaarisen kolmivaihelähdön, jossa on myös kuolleen ajan säätömahdollisuus. Lisäksi ohjain voidaan synkronoida sirulle integroitujen 12-bittisten AD-muuntimien tekemien analogisten mittausten kanssa. Mukana on myös kolme operaatiovahvistinta, joiden vahvistuskerroin on valittavissa.

Mikro-ohjaimessa on lisäksi Vector Engine -lohko, joka helpottaa ja nopeuttaa monimutkaisia matemaattisia operaatioita kuten sini- ja kosinifunktioita mutta myös Clarke- ja Park-muunnoksia. Tämä on hyödyllistä esimerkiksi PFC-korjainten ja moottori-invertterien sovelluksissa.

Parantaa tehotiheyttä ja uudelleenkäyttöä

Viimeisintä SiC MOSFET -tekniikkaa hyödyntäen tämä kompakti kuutiomainen PFC-rakenne kykenee tuottamaan 22 kilowattia tehokertoimella 0,99 ja jopa 99 prosentin hyötysuhteella. Moduulin mitat ovat 140 x 140 x 210 mm, mikä tarkoittaa tehotiheyttä 3 kW/dm3.

Modulaarisuuden ansiosta siltahaara-, kondensaattori-, kela- ja mikro-ohjainkortteja voidaan helposti kokeilla muissa muunninsovelluksissa. Uusille WBG-puolijohderatkaisujen kehitystiimeille rakenne antaa mahdollisuuden tutkia myös SiC MOSFETien entistä parempaa kestävyyttä, alhaisempaa R_DS(ON)-arvoa koko käyttölämpötila-alueella sekä korkeampaa kytkentätaajuutta. Nämä ovat edelleen monille suunnittelijoille aivan uutta tekniikkaa.

Viite

[1] https://www.statista.com/outlook/mmo/electric-vehicles/worldwide