A szilícium-karbid technológia kulcsfontosságú szerepet fog játszani a fenntarthatósági alkalmazásokban, miközben közösen kijelöljük az utat a kibocsátás csökkentése és a nettó nulla célok elérése felé. Ezek az alkalmazások úgy valósíthatók meg, hogy a rendszerekbe – például a motorhajtásokba – teljesítményelektronikát építenek be, vagy a meglévő rendszerek teljesítményelektronikáját fejlesztik a magasabb feszültségek elérése és a hatékonyság növelése érdekében.
Ahogy egyre több alkalmazás integrálja az elektromos rendszereket, az elektromos áramkörök védelme elengedhetetlenül fontos lesz. Az alkatrészek szervizelésének vagy cseréjének költségei jelentősök lehetnek, ezért a tervezők egyre robusztusabb áramkör-védelmi módszereket alkalmaznak. A kizárólag a vezetékek védelmére szolgáló áramkör-megszakító eszközök már nem elegendők az érzékeny elektronikus terhelések esetében. Egy elektronikus áramkör-megszakító megoldás, például az E-Fuse, védi a vezetékeket, és korlátozza a rövidzárlat esetén átfolyó áramot, valamint a hibás terheléshez jutó energiát, ami megakadályozhatja, hogy a terhelés károsodjon.
A hagyományos áramköri védelmi eszközök korlátai
A hagyományos biztosíték egyszer használatos eszköz, amelyet a hiba elhárítása után ki kell cserélni. Ennek megfelelően a biztosítékokat úgy tervezték, hogy csak tartósan magas áramerősség hatására égjenek ki. Ez ugyan védelmet nyújt a rendszer vezetékeinek, de nem védi az érzékeny fogyasztókat, és rendszer szintű leálláshoz vezethet. A biztosítékok idővel elhasználódnak, ami jelentősen befolyásolja teljesítményüket: például érzékenyebbé válnak, ami növeli a téves kioldás kockázatát, vagy éppen kevésbé érzékenyek lesznek, így még nagyobb áramerősségre van szükség a kioldáshoz. A biztosítékokkal rendelkező rendszerekben a karbantarthatóságra való tervezés fontos, mivel ezek cserélhető alkatrészek. A biztosítékhoz való hozzáférés karbantartási szempontból elengedhetetlen, de hátrányosan befolyásolja a rendszer hosszú távú megbízhatóságát. A védett áramkör és a biztosítéktér között biztosítékra, biztosítéktartóra és kiegészítő vezetékekre van szükség. A rekesz általában tartalmaz egy panelt, rögzítőelemeket és egy tömítést a környezeti hatások elleni védelem érdekében. Nagyfeszültségű rendszerekben általában reteszelő hurkot alkalmaznak, amely a biztosítékpanel kinyitásakor áramtalanítja a rendszert. Ezek a karbantarthatóságot biztosító kiegészítő alkatrészek mindegyike meghibásodási pontot jelent, ami tovább csökkenti az élettartamot. Ezen felül a nagyfeszültségű rendszerekben a biztosítékot kizárólag képzett, szakképzett személyzet cserélheti ki.
Hasonlóképpen, a terhelések áramellátását relé vagy mágneskapcsoló vezérli. A relé érintkezői között még nagy áramok esetén is csak kis feszültségesés jelentkezik, azonban ezek kopásnak vannak kitéve, amikor kapacitív terhelésekre kapcsolnak, illetve amikor induktív áramokat szakítanak meg. A reléből és túlfeszültség-ellenállásból álló előtöltő áramköröket gyakran használják a downstream kondenzátorok feltöltésére a rendszerfeszültség 20 V-on belüli értékére. Ez megakadályozza, hogy a relé vagy a mágneskapcsoló érintkezői bekapcsoláskor összeforrjanak, és nedvesíti az érintkezőket, hogy minimalizálja az oxidációt, amely egyébként nagyobb ellenállást és teljesítményveszteséget okozna. Ennek ellenére az érintkezők minden bekapcsoláskor károsodnak, ami az egyik olyan hosszú távú kopási mechanizmus, amely csökkenti élettartamukat. Számos olyan egyenáramú elosztórendszer, amely kapacitív terhelésekkel működő mágneskapcsolókat vagy reléket használ, a feszültségkülönbség feltételének biztosítása érdekében nagy pontosságú feszültségmérő áramkört tartalmaz a bemeneten és a kimeneten. Minél nagyobb a feszültségmérés hibája, annál nagyobb a potenciálkülönbség az érintkezőkön, és annál nagyobb a károsodás, ami végső soron csökkenti azok élettartamát. Amikor egy relé vagy mágneskapcsoló kikapcsol, az érintkezők szétválnak, és légrés keletkezik a bemeneti és kimeneti áramkörök között. Ez azonban nem jelenti azt, hogy azok elektromosan nem lennének összekötve. Sok esetben, amikor a relé megnyílik, az áram rövid ideig tovább folyik a légrésen át keletkező ívhúzás révén. Ez tovább rontja az érintkezők állapotát.
A nagyfeszültségű elektronikus biztosíték rendszerszintű előnyei
A biztosíték pontatlansága, az egyszeri használatra való korlátozottsága, valamint a relé és a mágneskapcsoló tartóssága csak néhány azok közül az okok közül, amelyek miatt a tervezők elektronikus megoldásokhoz, például az E-Fuse-hoz fordulnak. Sok esetben a megbízhatósági célok jelentik az elsődleges okot. A jobb pontosság, az integráció, a funkcionalitás, az újraindíthatóság és a rendszer rendelkezésre állási ideje az E-Fuse legfőbb előnyei közé tartoznak. A legfőbb ösztönző azonban az a lehetőség, hogy drámai mértékben növelhető a rendszer megbízhatósága.
Az E-Fuse egy vezérelhető és konfigurálható, szilárdtest-alapú áramkör-megszakító eszköz. A 400 V-os és 800 V-os rendszerekben a szilícium-karbid (SiC) jelenti az optimális teljesítményfélvezető technológiát, köszönhetően magas áttörési feszültségének, alacsony vezetési ellenállásának és magas hővezető képességének. Az E-Fuse lehet egyirányú félvezető kapcsoló, amely egy irányban blokkolja a feszültséget és az áramot, vagy kétirányú kapcsoló, amely mindkét irányban (pl. forrás–terhelés és terhelés–forrás irányban) blokkolja a feszültséget és az áramot. Az E-Fuse ötvözi a biztosíték és az elektromechanikus relé funkcióit, és tartalmazhat további funkciókat is, például a terhelési áram jelzését, ami feleslegessé teszi egy különálló áramérzékelő használatát a rendszerben.
A gyors reakcióidő – amint azt az 1. ábrán látható, Microchip SiC-alapú E-Fuse demonstrációs rendszer is megvalósítja – a rövidzárlati áramokat csupán néhány száz amperre korlátozza. Széles sávszélességű áramérzékelő áramkörrel és az alapértelmezett beállítások alkalmazásával a rendszer 700 nanoszekundum alatt észleli a rövidzárlatot, és a rendszer induktivitásától függően 1–6 mikroszekundum alatt szünteti meg a hibát. A 2. ábrán látható idő-áram jellemző (TCC) görbe által meghatározott kioldási viselkedés szoftveresen vagy a helyi összekötő hálózaton (LIN) keresztül konfigurálható. A TCC-görbe három észlelési módszert tartalmaz: az átmeneti hőmérséklet becslését, egy analóg-digitális átalakító (ADC) alapú árammintavételt, valamint egy szoftveresen konfigurálható hardveres észlelő áramkört.
A 3. ábrán látható érzékelő áramkör tartalmaz egy Kelvin-érzékelő csatlakozásokkal rendelkező párhuzamos ellenállást a pontos feszültségmérés biztosításához, egy nagy erősítés-sávszélesség-szorzatú műveleti erősítőt, egy konfigurálható referenciaértékkel rendelkező gyors komparátort, valamint Set-Reset (SR) tárolókat a gyors rövidzárlat-érzékelés és -védelem megvalósításához. Azoknál a túlterheléseknél, amelyek nem igényelnek azonnali reakciót, az áramérzékelő jelet a mikrokontroller ADC-je és a firmware dolgozza fel. A kialakítás két üzemmódot tartalmaz: az élvezérlésű és a ride-through üzemmódot. Élvezérlésű üzemmódban a küszöbértéket meghaladó túláram azonnali leállítást vált ki. Átmeneti üzemmódban a túláram azonnal alacsonyabb feszültségre állítja a SiC MOSFET kapuját, meghosszabbítva annak rövidzárlat-ellenállási idejét. Ha a túláram az előre meghatározott, konfigurálható időtartamnál hosszabb ideig fennáll, akkor a SiC MOSFET kikapcsol, megszakítva az áramkört. Ha azonban az áram a küszöbérték alá csökken, a MOSFET kapuja visszatér a teljes kapuvezérlésre.
Kiváló rövidzárlat-védelem
A 4. ábra egy feltöltött kondenzátoros rövidzárlat-teszt során mért átfolyó áramot mutatja egy hagyományos 30 A-es biztosítékkal és a 30 A-es E-Fuse demonstrációs példánnyal. A gyors reakcióidő bemutatására az E-Fuse-t szigorúbb működési feltételek mellett tesztelték, hatszor alacsonyabb forrásinduktivitással, ami a biztosíték-tesztben mérthez képest hatszor meredekebb áramnövekedést eredményezett. Még ilyen körülmények között is az E-Fuse-teszt során a rövidzárlati áram csúcsa mindössze 216 A volt, míg a biztosítéknál 3,6 kA-es csúcsáramot mértünk. A hibaelhárítási idő az E-Fuse esetében 672 ns, a hagyományos biztosítéknál pedig 276 µs volt. A gyors hibaelhárítási idő mellett – amely alacsony rövidzárlati átengedési (LT) áramot tesz lehetővé – az átengedett energia is több száz- vagy akár több ezer-szer alacsonyabb, mint a hagyományos biztosítékoknál. Ebben a tesztben az E-Fuse megfelelő átengedett energiája 406 mJ volt, szemben a biztosítékkal védett áramkör 85 J-jával. Ez a drámai teljesítménybeli különbség lehetővé teszi, hogy az E-Fuse védelme mellett a meghibásodott fogyasztó ne váljon végleges meghibásodássá.
Ezen felül a biztosíték-teszt során a DC-link kapacitása teljesen lemerült. Az E-Fuse által védett áramkör esetében azonban a 450 V-os DC-sín feszültsége kevesebb mint 200 ns alatt csupán 2 V-tal csökkent. Ez kulcsfontosságú előny, mivel lehetővé teszi a rendszerek zavartalan működésének folytatását anélkül, hogy attól kellene tartani, hogy egy eszköz meghibásodása feszültségesést vagy áramkimaradást okozna a DC-sínen. Számos olyan rendszerben, ahol a meghibásodások veszélyesek lehetnek vagy költséges leállásokat okozhatnak, az E-Fuse kiváló szintű áramkör-védelmet biztosít. A teszt eredményeit összefoglalva: az E-Fuse 300-szor gyorsabban szüntette meg a rövidzárlatot, 16-szor alacsonyabb átengedési árammal és 200-szor alacsonyabb átengedési energiával, miközben stabil DC-sínt biztosított.
Amint az látható, a SiC-alapú E-Fuse számos rendszerszintű előnyt kínál, amelyek nemcsak hatékonyabban védik a vezetékeket és a fogyasztókat, mint a hagyományos megoldások, hanem egyszerűsítik a rendszertervezést, valamint a védelmi, vezérlő és érzékelő funkciók integrálását is. A nagy tiltott sávszélességű félvezetők iránti kereslet tovább fog növekedni, mivel a mindent átfogó elektrifikáció magasabb feszültséget, nagyobb hatékonyságot és alacsonyabb kapcsolási veszteségeket igényel. Ezekben az alkalmazásokban az elektromos rendszerek profitálnak az E-Fuse megoldásból, mivel ez kiküszöböli a karbantarthatósági korlátokat, és növeli a rendszer rendelkezésre állási idejét, megbízhatóságát és biztonságát.
További információkért látogasson el a Microchip weboldalára: www.microchip.com
