Intégrer des MOSFET SiC pour améliorer le rendement des onduleurs de traction dans les véhicules électriques

Les ingénieurs doivent faire un compromis entre les performances et l'autonomie des véhicules électriques (VE) modernes. Les accélérations plus rapides et les vitesses de croisière plus élevées exigent des arrêts plus fréquents et plus longs pour la charge. Alternativement, une autonomie plus étendue est possible aux dépens d'une progression plus lente. Pour augmenter l'autonomie tout en offrant aux conducteurs des performances supérieures, les ingénieurs doivent concevoir des groupes motopropulseurs qui garantissent le transfert d'un maximum d'énergie de la batterie aux roues motrices. Il est tout aussi important de maintenir des groupes motopropulseurs suffisamment petits pour s'adapter aux contraintes du véhicule. Cette double exigence nécessite des composants à haut rendement et à haute densité d'énergie.

Le composant clé du groupe motopropulseur d'un véhicule électrique est l'onduleur de source de tension triphasé (ou « onduleur de traction ») qui convertit la tension continue des batteries en courant alternatif requis pour le ou les moteurs électriques du véhicule. Le développement d'un onduleur de traction efficace est essentiel pour réduire le compromis entre performances et autonomie, et l'une des principales voies pour améliorer le rendement est l'utilisation appropriée de dispositifs à semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) à large bande interdite (WBG).

Cet article décrit le rôle de l'onduleur de traction dans les véhicules électriques. Il explique ensuite comment la conception de l'unité avec des transistors à effet de champ à semi-conducteurs à oxyde métallique (MOSFET) de puissance SiC peut produire un groupe motopropulseur de véhicule électrique plus efficace qu'en utilisant des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). L'article se termine par un exemple d'onduleur de traction basé sur un MOSFET SiC et par des conseils de conception sur la manière de maximiser le rendement de l'unité.

Qu'est-ce qu'un onduleur de traction ?

L'onduleur de traction d'un véhicule électrique convertit le courant CC fourni par les batteries haute tension (HV) du véhicule en courant CA requis par le moteur électrique pour produire le couple nécessaire au déplacement du véhicule. Les performances électriques de l'onduleur de traction ont un impact significatif sur l'accélération et l'autonomie du véhicule.

Les onduleurs de traction contemporains sont alimentés par des systèmes de batterie haute tension de 400 volts (V) ou, plus récemment, de 800 V. Avec des courants d'onduleur de traction de 300 ampères (A) ou plus, un dispositif alimenté par un système de batterie de 800 V est capable de délivrer plus de 200 kilowatts (kW) de puissance. À mesure que la puissance a augmenté, la taille des onduleurs a diminué, ce qui a permis d'accroître considérablement la densité de puissance.

Les véhicules électriques dotés de systèmes de batterie de 400 V nécessitent des onduleurs de traction avec des dispositifs à semi-conducteurs de puissance répertoriés dans la plage de 600 V à 750 V, tandis que les véhicules de 800 V requièrent des dispositifs à semi-conducteurs répertoriés dans la plage de 900 V à 1200 V. Les composants de puissance utilisés dans les onduleurs de traction doivent également être capables de gérer des courants CA de crête de plus de 500 A pendant 30 secondes (s) et un courant CA maximum de 1600 A pendant 1 milliseconde (ms). De plus, les transistors de commutation et les circuits d'attaque de grille utilisés pour le dispositif doivent être capables de supporter ces charges importantes tout en maintenant un rendement élevé de l'onduleur de traction (Tableau 1).

Tableau 1 : Exigences typiques des onduleurs de traction en 2021 ; la densité d'énergie montre une augmentation de 250 % par rapport à 2009. (Source de l'image : Steven Keeping)

Un onduleur de traction comprend généralement trois éléments en demi-pont (commutateurs haut potentiel et bas potentiel), un pour chaque phase du moteur, avec des circuits d'attaque de grille contrôlant la commutation bas potentiel de chaque transistor. L'assemblage complet doit être isolé galvaniquement des circuits basse tension (LV) alimentant les autres systèmes du véhicule (Figure 1).

Figure 1 : Un véhicule électrique a besoin d'un onduleur de traction pour convertir le courant CC haute tension de la batterie en courant CA requis par les moteurs électriques du véhicule. Le système haute tension, y compris l'onduleur de traction, est isolé du système 12 V conventionnel du véhicule. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Dans l'exemple de la Figure 1, les commutateurs sont des IGBT. Ils constituent un choix populaire pour un onduleur de traction parce qu'ils sont capables de gérer des hautes tensions, de commuter rapidement et d'offrir un rendement correct, et ils sont relativement peu coûteux. Cependant, le coût des MOSFET de puissance SiC ayant baissé et leur disponibilité commerciale s'étant accrue, les ingénieurs se tournent vers ces composants en raison de leurs avantages notables par rapport aux IGBT.

Avantage des MOSFET SiC pour les circuits d'attaque de grille haut rendement

Les principaux avantages de performances des MOSFET de puissance SiC par rapport aux IGBT et aux MOSFET silicium (Si) conventionnels résultent du substrat semi-conducteur WBG des dispositifs. Les MOSFET Si ont une énergie de bande interdite de 1,12 électron-volt (eV), contre 3,26 eV pour les MOSFET SiC. Cela signifie que le transistor WBG peut supporter des tensions de claquage beaucoup plus élevées que les dispositifs Si, ainsi qu'une tension de champ de claquage résultante environ dix fois supérieure à celle du silicium. La tension de champ de claquage élevée permet de réduire l'épaisseur du dispositif pour une tension donnée, ce qui diminue la résistance à l'état passant (R_DS(ON)) et réduit ainsi les pertes de commutation et améliore la capacité de transport du courant.

Un autre avantage clé du SiC est sa conductivité thermique, qui est environ trois fois supérieure à celle du Si. Une conductivité thermique plus élevée se traduit par une hausse plus faible de la température de jonction (T_j) pour une dissipation de puissance donnée. Les MOSFET SiC peuvent également tolérer une température de jonction maximum (T_j(max)) plus élevée que celle du Si. Une valeur T_j(max) typique pour un MOSFET Si est de 150°C ; les dispositifs SiC peuvent supporter une température T_j(max) jusqu'à 600°C, bien que les dispositifs commerciaux soient généralement répertoriés de 175°C à 200°C. Le Tableau 2 présente une comparaison des propriétés entre le Si et le 4H-SiC (la forme cristalline du SiC couramment utilisée pour fabriquer les MOSFET).

Tableau 2 : Le champ de claquage, la conductivité thermique et la température de jonction maximum d'un MOSFET SiC en font un meilleur choix que le Si pour les applications de commutation à fort courant et haute tension. (Source de l'image : ON Semiconductor)

La tension de claquage élevée, la faible résistance R_DS(ON), la haute conductivité thermique et la température T_j(max) élevée permettent à un MOSFET SiC de gérer un courant et une tension beaucoup plus élevés qu'un MOSFET Si de taille similaire.

Les IGBT sont également capables de gérer des tensions et des courants élevés et ont tendance à être moins chers que les MOSFET SiC — une raison pour laquelle ils trouvent leur place dans les conceptions d'onduleurs de traction. L'inconvénient des IGBT, en particulier lorsque le développeur cherche à maximiser la densité d'énergie, est une restriction de la fréquence de fonctionnement maximum en raison de leur « courant de queue » et de leur mise hors tension relativement lente. En revanche, un MOSFET SiC est capable de gérer la commutation haute fréquence au même titre qu'un MOSFET Si, mais avec la tenue en tension et en courant d'un IGBT.

Plus grande disponibilité des MOSFET SiC

Jusqu'à récemment, le prix relativement élevé des MOSFET SiC limitait leur utilisation aux onduleurs de traction pour les véhicules électriques de luxe, mais grâce à des prix en baisse, les MOSFET SiC sont désormais plus largement utilisés.

ON Semiconductor propose deux exemples de cette nouvelle génération de MOSFET de puissance SiC : le NTBG020N090SC1 et le NTBG020N120SC1. La principale différence entre ces dispositifs est que le premier a une tension de claquage drain-source (V_(BR)DSS) maximum de 900 V, avec une tension grille-source (V_GS) de 0 V et un courant de drain continu (I_D) de 1 milliampère (mA), tandis que le second a une tension V_(BR)DSS maximum de 1200 V (dans les mêmes conditions). La température T_j maximum pour les deux dispositifs est de 175°C. Les deux dispositifs sont des MOSFET à canal N en boîtier D2PAK-7L (Figure 2).

Figure 2 : Les MOSFET de puissance SiC à canal N NTBG020N090SC1 et NTBG020N120SC1 sont tous les deux disponibles en boîtier D2PAK-7L et diffèrent principalement par leurs valeurs V_(BR)DSS de 900 V et 1200 V, respectivement. (Source de l'image : Steven Keeping, à partir de matériel d'ON Semiconductor)

Le NTBG020N090SC1 affiche une résistance R_DS(ON) de 20 milliohms (mΩ) avec V_GS de 15 V (I_D = 60 A, T_j = 25°C), et une résistance R_DS(ON) de 16 mΩ avec V_GS de 18 V (I_D = 60 A, T_j = 25°C). Le courant direct de diode drain-source continu maximum (I_SD) est de 148 A (V_GS = -5 V, T_j = 25°C), et le courant direct de diode drain-source pulsé maximum (I_SDM) est de 448 A (V_GS = -5 V, T_j = 25°C). Le NTBG020N120SC1 a une résistance R_DS(ON) de 28 mΩ à V_GS de 20 V (I_D = 60 A, T_j = 25°C). Le courant I_SD maximum est de 46 A (V_GS = -5 V, T_j = 25°C), et le courant I_SDM maximum est de 392 A (V_GS = -5 V, T_j = 25°C).

Concevoir avec des MOSFET SiC

Les concepteurs qui cherchent à intégrer des MOSFET SiC dans leurs conceptions d'onduleurs de traction doivent être conscients d'une complication importante : les transistors ont des exigences d'attaque de grille complexes. Certains de ces défis résultent du fait que, par rapport aux MOSFET Si, les MOSFET SiC présentent une transconductance plus faible et une résistance de grille interne plus élevée, et que le seuil d'activation de grille peut être inférieur à 2 V. Par conséquent, la grille doit être tirée en dessous de la masse (généralement à -5 V) pendant l'état bloqué pour garantir une commutation correcte.

Cependant, le principal défi d'attaque de grille est dû au fait qu'un grande valeur V_GS (jusqu'à 20 V) doit être appliquée pour garantir une faible résistance R_DS(ON). Le fonctionnement d'un MOSFET SiC à une tension V_GS trop faible peut entraîner une contrainte thermique, voire une défaillance, en raison de la dissipation de puissance (Figure 3).

Figure 3 : Pour le MOSFET SiC NTBG020N090SC1, une tension V_GS élevée est requise pour éviter les contraintes thermiques dues à une résistance R_DS(ON) élevée. (Source de l'image : ON Semiconductor)

De plus, un MOSFET SiC étant un dispositif à faible gain, le concepteur doit tenir compte de cet impact sur plusieurs autres caractéristiques dynamiques importantes lors de la conception d'un circuit d'attaque de grille. Ces caractéristiques incluent le plateau Miller de charge de grille et la nécessité d'une protection contre la surintensité.

Ces complications de conception exigent un circuit d'attaque de grille spécialisé avec les attributs suivants :

• La possibilité de fournir une commande V_GS de -5 V à 20 V pour tirer pleinement parti des avantages de performances des MOSFET SiC. Afin de fournir une surcharge suffisante pour répondre à cette exigence, le circuit d'attaque de grille doit être capable de supporter des valeurs V_DD = 25 V et V_EE = -10 V.
• V_GS doit avoir des fronts de montée et de descente rapides, de l'ordre de quelques nanosecondes (ns).
• Le circuit d'attaque de grille doit être capable de fournir un courant de grille de crête élevé, de l'ordre de plusieurs ampères, dans toute la région du plateau Miller du MOSFET.
• Le courant nominal absorbé doit être supérieur à celui qui serait nécessaire pour décharger la capacité d'entrée du MOSFET SiC. Pour les topologies de puissance en demi-pont hautes performances, il convient d'envisager un courant nominal absorbé de crête minimum de l'ordre de 10 A.
• Faible inductance parasite pour une commutation haute vitesse.
• Boîtier compact permettant de placer le circuit d'attaque au plus près du MOSFET SiC et d'augmenter la densité d'énergie.
• Une fonction de désaturation (DESAT) avec capacité de détection, de signalisation des défaillances et de protection pour un fonctionnement fiable à long terme.
• Un niveau de verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) V_DD correspondant à l'exigence selon laquelle V_GS doit être > 16 V avant le démarrage de la commutation.
• Capacité de surveillance UVLO V_EE pour assurer que le rail de tension négatif est dans une plage acceptable.

ON Semiconductor a lancé un circuit d'attaque de grille conçu pour répondre à ces exigences dans les conceptions d'onduleurs de traction. Le circuit d'attaque de grille MOSFET SiC NCP51705MNTXG présente un haut niveau d'intégration, ce qui le rend compatible non seulement avec les propres MOSFET SiC de la société, mais également avec ceux d'un large éventail de fabricants. Le dispositif inclut de nombreuses fonctions basiques communes aux circuits d'attaque de grille à usage général, mais présente également les exigences spécialisées requises pour la conception d'un circuit d'attaque de grille MOSFET SiC fiable avec un nombre minimum de composants externes.

Par exemple, le NCP51705MNTXG intègre une fonction DESAT qui peut être mise en œuvre en utilisant seulement deux composants externes. DESAT est une forme de protection contre la surintensité pour les IGBT et les MOSFET afin de surveiller une défaillance où V_DS peut augmenter à la valeur I_D maximum. Cela peut affecter le rendement et, dans le pire des cas, endommager le MOSFET. La Figure 4 montre comment le NCP51705MNTXG surveille la valeur V_DS du MOSFET (Q1) via la broche DESAT à travers R1 et D1.

Figure 4 : La fonction DESAT du NCP51705MNTXG mesure la tension V_DS pour un comportement anormal pendant les périodes de courant I_D maximum et met en œuvre une protection contre la surintensité. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le circuit d'attaque de grille NCP51705MNTXG est également doté d'une fonction UVLO programmable. Il s'agit d'une caractéristique importante lors de la commande de MOSFET SiC, car la sortie du composant de commutation doit être désactivée jusqu'à ce que V_DD dépasse un seuil connu. Permettre au circuit d'attaque de commuter le MOSFET à une faible tension V_DD peut endommager le dispositif. La fonction UVLO programmable du NCP51705MNTXG protège non seulement la charge mais vérifie également auprès du contrôleur que la tension V_DD appliquée est supérieure au seuil de mise sous tension. Le seuil de déclenchement UVLO est défini par une seule résistance entre UVSET et SGND (Figure 5).

Figure 5 : Le seuil de déclenchement UVLO pour le MOSFET SiC NCP51705MNTXG est défini par la résistance UVSET, R_UVSET, en fonction de la tension de déblocage UVLO souhaitée, V_ON. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Isolation numérique pour les onduleurs de traction

Pour mener à bien la conception d'un onduleur de traction, l'ingénieur doit s'assurer que le côté basse tension de l'électronique du véhicule est isolé des tensions et courants élevés qui traversent l'onduleur (Figure 2 ci-dessus). Cependant, comme le microprocesseur qui commande les circuits d'attaque de grille haute tension se trouve du côté basse tension, toute isolation doit permettre le passage des signaux numériques du microprocesseur aux circuits d'attaque de grille. ON Semiconductor propose également un composant pour cette fonction, le NCID9211R2, un isolateur numérique céramique bidirectionnel à deux canaux haute vitesse.

Le NCID9211R2 est un isolateur numérique en duplex intégral à isolation galvanique qui permet aux signaux numériques de passer entre les systèmes sans boucles de masse ni tensions dangereuses. Le dispositif se caractérise par une tension d'isolement de fonctionnement maximum de 2000 V_peak, une réjection de mode commun de 100 kilovolts/milliseconde (kV/ms) et un débit de données de 50 mégabits par seconde (Mb/s).

Des condensateurs en céramique hors puce forment la barrière galvanique, comme illustré à la Figure 6.

Figure 6 : Schéma fonctionnel illustrant un seul canal de l'isolateur numérique NCID9211R2. Les condensateurs hors puce forment la barrière galvanique. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Les signaux numériques sont transmis à travers la barrière galvanique à l'aide d'une modulation par tout ou rien (OOK). Côté émetteur, l'état logique d'entrée V_IN est modulé avec un signal porteur haute fréquence. Le signal résultant est amplifié et transmis à la barrière galvanique. Le côté récepteur détecte le signal de barrière et le démodule en utilisant une technique de détection d'enveloppe (Figure 7). Le signal de sortie détermine l'état logique de sortie V_O lorsque la commande d'activation de sortie EN est à l'état haut. V_O passe par défaut à un état bas haute impédance lorsque l'alimentation de l'émetteur est coupée, ou que l'entrée V_IN est déconnectée.

Figure 7 : L'isolateur numérique NCID9211 utilise la modulation OOK pour transmettre des informations numériques à travers la barrière galvanique. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Conclusion

Les MOSFET de puissance SiC constituent une bonne option pour les onduleurs de traction à haut rendement et à haute densité de puissance pour les véhicules électriques, mais leurs caractéristiques électriques posent des problèmes de conception uniques pour les circuits d'attaque de grille et la protection des dispositifs. En plus des défis de conception, les ingénieurs doivent également s'assurer que la conception de leur onduleur de traction offre un haut niveau d'isolation par rapport à l'électronique basse tension sensible du véhicule.

Comme illustré, pour faciliter le développement technique, ON Semiconductor propose un choix de MOSFET SiC, de circuits d'attaque de grille spécialisés et d'isolateurs numériques pour répondre aux exigences des onduleurs de traction et atteindre un meilleur équilibre entre autonomie et hautes performances pour les véhicules électriques modernes.