Биполярные транзисторы с изолированным затвором в электрических машинах

Компания Renesas Electronics выпустила новое поколение компактных высоковольтных IGBT, выдерживающих напряжение до 1 200 В и ток до 300 А, в попытке усовершенствовать силовую электронику, лежащую в основе электромобилей.

Новые чипы обеспечивают на 10% более высокую плотность тока, чем все существующие на рынке, при форм-факторе 100 мм2 на 300 А. Новые продукты также примерно на 10% меньше, сохраняя при этом высокую прочность.

IGBT AE5, предназначенные для нового поколения инверторов для электромобилей, будут серийно выпускаться с первой половины 2023 года на 200- и 300-миллиметровых пластинах на заводе компании в Нака, Япония.

"Спрос на автомобильные силовые полупроводниковые приборы быстро растет по мере распространения электромобилей, - говорит Кацуя Кониши (Katsuya Konishi), глава подразделения Power System Business компании Renesas. IGBT сочетают в себе высокую скорость переключения и высокое сопротивление почтенного MOSFET с более высоким входным сопротивлением транзистора с биполярным переходом (BJT).

Напряжения достигают новых максимумов

Бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC), используемые в электромобилях, управляются инверторами, которые преобразуют постоянный ток из аккумуляторной батареи автомобиля в переменный. На дальность хода автомобиля влияет производительность (количество энергии, теряемой при преобразовании тока из одной формы в другую) инвертора. Высокоэффективные переключатели, такие как IGBT, имеют решающее значение для увеличения дальности хода автомобиля.

Сегодня большинство электромобилей имеют внутреннюю архитектуру, способную выдерживать напряжение 400 В на блок батарей. Но автопроизводители планируют перейти на батареи с напряжением 800 В, чтобы увеличить дальность хода электромобиля и сократить время зарядки.

Удвоение напряжения в подсистеме EV уменьшает ток вдвое при той же мощности, что дает возможность увеличить дальность хода. Это напрямую влияет на стоимость батареи и, как следствие, на общую стоимость автомобиля.

Модернизация с 400 В до 800 В также позволяет удвоить скорость зарядки при тех же потерях, отмечает Renesas. Это означает отсутствие дополнительного нагрева во время зарядки. Тепловыделение ограничивается кабелями, по которым электрический ток подается в EV, а также входом и внутренней проводкой зарядного устройства. Если мощность зарядки удвоить, то теоретически потребуется вдвое меньше времени для пополнения заряда батареи.

Сокращение потерь дает возможность уменьшить вес, площадь и стоимость всего - от силовой электроники до электродвигателя. Сэкономленное пространство можно использовать для создания более емких батарей и увеличения дальности хода.

Переход от 400-В батарейных блоков к 800-В системам также вызывает переход от кремниевых IGBT к МОП-транзисторам на основе карбида кремния (SiC). SiC-устройства обеспечивают гораздо более высокую скорость переключения и, соответственно, меньшие потери при переключении.

Хотя SiC MOSFET является главным претендентом на победу над IGBT в высоковольтных источниках питания, еще не все переходят на новую технологию. Более того, средний IGBT обычно стоит меньше, чем его SiC-аналог.

Никуда не денется

Новое семейство от компании Renesas свидетельствует о том, что IGBT останутся важным игроком в мире силовой электроники еще долгие годы, особенно когда речь идет о высоковольтных и низковольтных источниках питания в электромобилях.

Семейство продуктов включает четыре высоковольтных IGBT, предназначенных для 400-800-В инверторов в EV, в том числе 220- и 300-А модели с выдерживаемым напряжением 750 В и 150- и 200-А модели, выдерживающие напряжение до 1200 В.

Когда речь идет о 800-В аккумуляторных батареях, IGBT или другой переключатель в основе источника питания должен иметь значительно более высокую изоляцию и номинальное напряжение, чем батарея, чтобы не допустить опасной перегрузки.

IGBT обычно страдают от потерь проводимости и переключения. Согласно компании Renesas, в серии AE5 особое внимание уделяется потерям проводимости, они улучшены на 10% по сравнению с предыдущей серией AE4, что позволяет еще больше снизить потери.

Другой важной характеристикой IGBT является напряжение насыщения, которое влияет на потери проводимости и, следовательно, на общие потери и тепловыделение. Компания Renesas заявила, что она устанавливает новый стандарт для напряжения насыщения - 1,3 В.

Ограничения полупроводникового оборудования означают, что IGBT и другие силовые переключатели часто выходят из цеха с небольшими отклонениями, что в некоторых случаях может ухудшить их характеристики. В системах большой мощности обычно требуется параллельное подключение нескольких IGBT для работы с нагрузками в диапазоне 10-100 кВт. Обычно это делается для получения более высоких номинальных значений тока, улучшения тепловой устойчивости и повышения уровня резервирования.

Для решения этой проблемы компания Renesas усовершенствовала производственный процесс, чтобы минимизировать колебания порогового напряжения, используемого для включения IGBT, до ±0,5 В, что на 50 % лучше, чем в предыдущем поколении.

По словам компании, эта особенность помогает предотвратить дисбаланс тока, снижая нагрузку на инвертор.

Сохранение прочности

Прочность - еще одна область совершенствования новых IGBT, которым приходится работать в жестких автомобильных условиях. Микросхемы сохраняют стабильные характеристики в диапазоне рабочих температур спая от -40 до 175°C.

Снижение на 50% температурной зависимости сопротивления затвора (Rg) помогает снизить потери на переключение при более высоких температурах и подавить скачки напряжения при более низких температурах, обеспечивая лучшую стабильность при колебаниях. Микросхемы поддерживают безопасную рабочую зону обратного смещения (RBSOA) с максимальным импульсом тока ИС 600 A при температуре спая 175°C, а также высокопрочное время устойчивости к короткому замыканию 4 мкс при напряжении 400 В.

Серия AE5 помогает снизить потери мощности инвертора, повышая эффективность энергопотребления на 6% по сравнению с предыдущим поколением при той же плотности тока. В результате электромобили с IGBT-транзисторами могут дольше работать до необходимости подзарядки.

Компания Renesas заявила, что с первой половины 2024 года планирует увеличить объемы производства на новом заводе по выпуску 300-мм пластин в Кофу (Япония), что позволит удвоить мощности по поставке силовых полупроводников и будет способствовать удовлетворению растущего спроса на компоненты для электромобилей.

Компания также выпустит эталонные образцы, чтобы дать заказчикам план интеграции IGBT в инверторы с MCU, ИС управления питанием (PMIC), ИС драйверов затвора и диодов быстрого восстановления (FRD).

IGBT поставляются в готовом виде или в дискретных корпусах. Модель 750 В, 300 А в настоящее время является пробной.