Кошик
2230 відгуків
www.wintex.com.ua
+380672983455
+380 (67) 298-34-55
+380 (50) 266-55-17
+380 (44) 503-61-12

Коли має сенс міняти кремнієві транзистори на карбід-кремнієві?

Коли має сенс міняти кремнієві транзистори на карбід-кремнієві?

 

20 січня

телекомунікаціїкерування живленнямуправління двигуномлабораторні приладиInfineonстаттядискретні напівпровідникиMOSFETAC-DCMotor DriveSiC MOSFET

Рене Менте (Infineon)

До числа цільових програм SiC MOSFET на напругу 650 виробництва Infineon відносяться системи електроживлення, в яких потрібно забезпечити ККД ≥ 97%, імпульсні перетворювачі, в яких використовується або може виникнути режим жорстких перемикань, а також потужне силове обладнання.

 

В результаті постійного вдосконалення імпульсних джерел живлення (ІІП) їх ККД досяг максимального значення, яке може забезпечити класична кремнієва (Si) технологія. Цьому сприяли впровадження нових технологічних процесів виготовлення напівпровідникових приладів, застосування нових методів проектування, а також використання нових топологій імпульсних джерел живлення (ІІП). В останні роки були розроблені технології створення напівпровідникових матеріалів з великою шириною забороненої зони, у тому числі карбід-кремнієва (SiC) технологія. Напівпровідникові компоненти, виготовлені за цією технологією, володіють рядом характеристик, що дозволяють розробникам створювати більш ефективні пристрої. Однак необхідно враховувати, що такі компоненти мають більшу вартість в порівнянні з виготовляються за традиційною технологією. З того моменту, як у доповнення до існуючих SiC MOSFETна 1200 з'явилися 650-вольтові компоненти, застосування карбід-кремнієвих напівпровідникових приладів стало виправданим навіть в тих програмах, які раніше навіть не розглядалися в цьому контексті.

Імпульсні перетворювачі використовуються в самих різних пристроях. Типова область їх застосування – це звичайні джерела живлення загального призначення. Також ІІП застосовуються в різному силовому обладнанні, починаючи з сонячних електростанцій і вітроенергетичних установок і закінчуючи електроприводами і зарядні пристрої для електромобілів. До сьогоднішнього дня практично у всіх пристроях, що працюють з напругою більше 1000 В, використовувалися IGBT (біполярні транзистори з ізольованим затвором). Зараз їх почали витісняти SiC MOSFET, особливо там, де потрібно комутувати силові ключі з великою частотою і де необхідно забезпечити підвищену питому потужність. В діапазоні напруг до 650 технологія SiC дозволяє реалізовувати топології, що забезпечують високі значення ККД. В якості прикладу можна навести схему корекції коефіцієнта потужності (PFC), що працює в режимі безперервних струмів (CCM). Дана схема знаходить застосування в серверах, телекомунікаційному обладнанні, обладнанні формування акумуляторних батарей, зарядних пристроїв електромобілів, а також у багатьох інших пристроях. При цьому збільшується ККД системи, надійність, а також знижується загальна вартість володіння (TCO).

Докладніше про деякі переваги

Рішення про використання нових напівпровідникових компонентів приймається, перш за все, виходячи з таких характеристик, як бажані ККД і питома потужність кінцевого пристрою. Карбід-кремнієві MOSFET, на відміну від класичних, відрізняються більшою стабільністю параметра RDS(on) у всьому діапазоні робочих температур. Якщо для Si MOSFET зазвичай вказується тільки максимальне значення RDS(on) при 25°C, то в разі SiC MOSFET вказується типове значення RDS(on) при 25°C для певної напруги затвора (зазвичай 18 В) і конкретного струму стоку ID. У типовому пристрої сімейства CoolMOS опір RDS(on) при зміні температури від 25 до 100°C може збільшитися в 1,67 разів, тоді як в аналогічному пристрої сімейства CoolSiC це значення збільшиться всього в 1,13 разів. Тобто CoolSiC MOSFET з опором 84 мОм має такі ж втрати провідності, що і CoolMOS MOSFET з опором 57 мОм. А оскільки збільшення робочої температури чинить менший вплив на дану характеристику, стає можливим створювати конструкції з більш щільним монтажем, а в деяких випадках і з спрощеною системою охолодження

Для управління SiC-ключами, в принципі, можна використовувати ті ж драйвери затвора, формують стандартні напруги управління (0/15 В), які застосовуються для управління традиційними Si MOSFET. Однак, оскільки значення RDS(on) залежить від напруги затвора, має сенс подумати про використання драйверів з більш високим вихідним напругою. Для управління MOSFET сімейства CoolSic можна використовувати напругу від 0 до 18 – як видно з графіків, показаних на малюнку 1, це дозволить зменшити RDS(on) на 18% у порівнянні зі значенням, що виходить при напрузі 15 В (при 60°C).

 

Рис. 1. Залежність RDS(on) MOSFET сімейства CoolSiC від температури при різних значеннях напруги затвора

Рис. 1. Залежність RDS(on) MOSFET сімейства CoolSiC від температури при різних значеннях напруги затвора

 

Крім того, слід виключити потрапляння на затвор SiC MOSFET негативного напруги, оскільки це може викликати дрейф порогового напруги VGS(th). Дослідження показали, що цей дрейф може призвести до невеликого збільшення RDS(on) при роботі протягом тривалого часу. Напруга відсічення VGS(off) може стати від'ємним-за високої швидкості наростання струму di/dt, обумовленої падінням напруги на індуктивності витоку в контурі ланцюга управління затвором. Те ж може статися із-за дуже високої швидкості наростання напруги dv/dt, обумовленої ємністю «затвор-стік» другого ключа напівмоста (найчастіше переважає саме цей фактор). Очевидно, цю проблему можна вирішити, зменшивши значення dv/dt і di/dt, однак це призведе до зниження ККД.

Замість цього рекомендується між затвором і витоком ключа встановлювати захисний діод, який буде обмежувати напруга на затворі на рівні -2 В, запобігаючи тим самим дрейф VGS(th). При бажанні можна використовувати і інші прості в реалізації заходів, що дозволяють зменшити вплив індуктивності. Насамперед слід відокремити землю драйвера від силової землі – це дозволить виключити індуктивність ланцюга витоку із контуру управління затвором. Використання окремого кельвиновского виведення витоку (при його наявності) також дозволить значно збільшити ефективність роботи ключа, особливо при великих значеннях струму стоку (див. малюнок 2).

 

Рис. 2. Обмежувальний діод (а), розподіл «земель» драйвера і силового каскаду і використання кельвиновского виведення витоку (б)

Рис. 2. Обмежувальний діод (а), розподіл «земель» драйвера і силового каскаду і використання кельвиновского виведення витоку (б)

 

Вплив заряду зворотного відновлення на вибір топології

Заряд зворотного відновлення (Qrr) – один з найбільш важливих параметрів, які необхідно враховувати при розробці, особливо у разі використання резонансних топологій або схем, що працюють у режимі жорсткого перемикання. Будь MOSFET має внутрішній паразитний діод, а параметр Qrr визначає величину заряду, який необхідно зняти з цього переходу діода, щоб останній перейшов із стану провідності в закритий стан (див. малюнок 3). Виробники напівпровідникових компонентів провели велику роботу щодо зменшення цього параметра, результатом якої стала поява сімейства CoolMOS з швидкодіючим паразитних діодом. Нова технологія дозволила зменшити значення Qrr у 10 разів порівняно з раніше випускалися MOSFET. У той же час силові ключі сімейства CoolSic забезпечують подальше 10-кратне зменшення цього параметра вже щодо новітніх CoolMOS MOSFET.

 

Рис. 3. Qrr - це заряд, який повинен вивільнити паразитний діод, щоб перейти із стану провідності в закритий стан (а), значення цього заряду визначається площею заштрихованої області (б)

Рис. 3. Qrr – це заряд, який повинен вивільнити паразитний діод, щоб перейти із стану провідності в закритий стан (а), значення цього заряду визначається площею заштрихованої області (б)

 

При проектуванні силового обладнання намагаються добитися, щоб ефективність системи при 50% навантаженні досягала 98%. Для забезпечення таких характеристик ККД схеми корекції коефіцієнта потужності (ККМ) повинен становити не менше 99%, в іншому випадку ймовірність досягнення бажаної ефективності системи суттєво зменшується. Мале значення Qrr MOSFETсемейства CoolSic дозволяє реалізовувати на їх основі схеми ККМ, що працюють у режимі жорсткого перемикання. Для цього була розроблена топологія Totem-Pole, в якій силові ключі працюють в режимі безперервних струмів (continuous conduction mode, CCM). Реалізація цієї топології на MOSFET сімейства CoolMOS вимагає використання спеціального методу керування ключами, званого трикутним режимом провідності (triangular current mode, TCM).

Вихідна емкостьЅіС MOSFET

Ще один важливий параметр Si і SiC MOSFET – вихідна ємність COSS. Енергія EOSS, запасаемая в цій ємності, повинна розсіюватися під час відкриття ключа при ненульовому напрузі. Менше значення цієї ємності дозволяє збільшити швидкість перемикання, але, водночас, призводить до викиду напруги «стік-витік» (VDS) в момент відкриття транзистора. При використанні ключів CoolMOS для компенсації цього явища в ланцюг затвора встановлюється резистор (RG), що зменшує швидкість перемикання. Крім того, він дозволяє обмежити напруга «стік-витік» в межах 80% від допустимого значення. З іншого боку, додавання цього резистора збільшує втрати на перемикання, особливо в моменти закриття ключа, при зростанні струму.

 

Рис. 4. Залежність COSS від VDS для CoolMOS MOSFET і декількох CoolSiC MOSFET

Рис. 4. Залежність COSS від VDS для CoolMOS MOSFET і декількох CoolSiC MOSFET

 

З одного боку, при напрузі VDS починаючи з 50...60 В MOSFET сімейства CoolSiC мають більш високе значення COSS, ніж аналогічні MOSFET сімейства CoolMOS. З іншого боку, вони характеризуються значно меншою залежністю COSS від VDS (див. малюнок 4). Це означає, що при реалізації тієї ж схеми на ключах CoolSiC можна використовувати зовнішні резистори RG меншого номіналу і все одно забезпечити роботу в безпечному режимі при напрузі в межах 80% від допустимого. Це може бути вигідно при реалізації певних топологій, наприклад, резонансних LLC-перетворювачів (див. малюнок 5).

 

Рис. 5. Момент пуску резонансного LLC-перетворювача. При використанні MOSFET сімейства CoolSiC (а), безпечний режим роботи ключів забезпечується навіть при відсутності зовнішнього резистора RG (б)

Рис. 5. Момент пуску резонансного LLC-перетворювача. При використанні MOSFET сімейства CoolSiC (а), безпечний режим роботи ключів забезпечується навіть при відсутності зовнішнього резистора RG (б)

 

Може здатися, що у технології SiC немає недоліків. Звичайно ж, це далеко не так, тому для поліпшення експлуатаційних характеристик і збільшення ККД ІІП зовсім недостатньо просто замінити Si MOSFET на аналогічні SiC MOSFET. Як мінімум, необхідно врахувати той факт, що пряме напруга паразитного діода SiC MOSFET приблизно в чотири рази вище, ніж у аналогічного Si MOSFET. Очевидно, що проста заміна силових ключів призведе до чотириразового зростання втрат провідності внутрішнього діода. У підсумку ми недорахуємося потенційних 0,5% ККД при роботі ІІП на невелику навантаження. Для досягнення максимального ККД необхідно, щоб більша частина струму у використовуваній схемі протікала через відкриті канали ключів, а не через паразитні діоди. З практичної точки зору це означає необхідність корекції тривалості захисних інтервалів таким чином, щоб можна було в повній мірі скористатися перевагами SiC MOSFET.

Висновок

По мірі того, як на ринку з'являється все більше SiC MOSFET на напругу 650, збільшується привабливість даної технології для різних областей застосування. До числа цільових програм відносяться системи електроживлення, в яких потрібно забезпечити ККД ≥ 97%, імпульсні перетворювачі, в яких використовується або може виникнути режим жорстких перемикань, а також потужне силове обладнання. Разом з тим слід розуміти, що характеристики SiC і Si MOSFET сильно відрізняються. З одного боку більшу частину рішень, реалізованих в існуючих ІІП, можна зберегти. Однак внесення до схеми певних змін, зокрема, що стосуються величини напруги управління затвора і реалізації захисних тимчасових інтервалів («мертвого» часу), дозволить повною мірою використовувати переваги SiC-компонентів у кінцевих виробах.

Оригінал статті

Переклад Андрія Евстифеева за замовленням АТ Компел

 

 

Наскільки вам зручно на сайті?

Розповісти Feedback form banner