1. decembra, 2019

Izboljšanje učinkovitost pretvorbe energije z MOSFET tranzistorji na osnovi SiC

Revija logo digikey 300x150 - Izboljšanje učinkovitost pretvorbe energije z MOSFET tranzistorji na osnovi SiCDigi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2019_280_15

Načrtovalci so pod nenehnim pritiskom, da morajo zniževati stroške in prihraniti prostor, hkrati pa zadostiti trendom panoge po večjih zahtevah za energijo, novim zakonskim zahtevam ter višjim standardom glede učinkovitosti in elektromagnetnih motenj. Vse to povečuje potrebo po menjavi napajalnih sestavnih delov zaradi večje učinkovitosti in širšega razpona delovanja. Zaradi teh zahtev je potrebna alternativa klasičnim MOSFET tranzistorjem, ki temeljijo na siliciju (Si).

Kot jasna možnost se je pojavil silicijev karbid (SiC), ki je zdaj dozorel in je na voljo v tretji generaciji. FET tranzistorji na osnovi SiC ponujajo številne prednosti v delovanju, še posebej kar zadeva učinkovitost, večjo zanesljivost, manj težav z upravljanjem toplote in manjšo površino. Ti se uporabljajo za celotni spekter moči in ne zahtevajo radikalne spremembe tehnik načrtovanja, lahko pa zahtevajo nekaj prilagoditev.

SE280 15 01 300x152 - Izboljšanje učinkovitost pretvorbe energije z MOSFET tranzistorji na osnovi SiC

Slika 1: Približna primerjava med ključnimi lastnosti materiala SiC v primerjavi s Si in trdnimi materiali GaN. V primerjavi s Si ima SiC višji kritični razkroj, višjo toplotno prevodnost in širšo energijsko režo. (Vir slike: Researchgate)

Ta članek zajema kratko primerjavo Si in SiC, predstavitev primerov naprav SiC ponudnika Cree/Wolfspeedinprikaz začetka načrtovanja z njimi.

Primerjava SiC in Si MOSFET-ov
Najprej je treba razjasniti tehnologijo in terminologijo: FET-i, ki temeljijo na SiC, so MOSFET-i, enako kot njihovi silicijski predhodniki. V širšem smislu je njihova notranja fizična struktura podobna, oboji pa so naprave s tremi priključki: izvor (source), ponor (drain) in vrata (gate).

Razlika je takšna, kot jo nakazujeta imeni: pri FET-ih na osnovi SiC je kot osnovni material uporabljen silicijev karbid namesto samega silicija. V panogi jih mnogi imenujejo naprave SiC in izpustijo del »MOSFET«. V tem članku bodo imenovani SiC FET-i.

Zakaj kot material uporabiti zmes SiC? Zaradi različnih fizičnih razlogov: SiC ima tri glavne električne značilnosti, ki se zelo razlikujejo od silicija, in vsaka prinaša določene operativne prednosti; obstajajo pa še druge, subtilnejše (slika 1).

Te so:

  • Višji kritični razkroj napetosti električnega polja, ki znaša približno 2,8 megavolta na centimeter (MV/cm) v primerjavi z 0,3 MV/cm, zato je delovanje pri dani nazivni napetosti mogoče z bistveno tanjšim slojem, kar zelo zmanjšuje upornost.
  • Višja toplotna prevodnost, ki omogoča večjo gostoto toka v presečnem območju.
  • Širša energijska reža (energijska razlika (v eV) med vrhom valenčnega pasa in dnom prevodnega pasa v polprevodnikih (in izolatorjih), ki zagotavlja nižji izgubni tok pri višjih temperaturah). Zato SiC diode in FET-e pogosto imenujemo »naprave s široko energijsko režo«.
  • Posledično lahko naprave, ki temeljijo na SiC, blokirajo približno do desetkrat višje napetosti kot silicijeve naprave in tudi preklapljajo lahko približno desetkrat hitreje, saj je njihova upornost pri 25 °C približno polovična ali še manjša. Hkrati njihova zmožnost, da delujejo pri precej višjih temperaturah do 200 °C v primerjavi s 125 °C – olajšuje toplotno načrtovanje in upravljanje.

Prožilno vezje je kritično za izkoristek prednosti

Močnostna naprava ne deluje brez prožilnega vezja, ki prevaja nizkonivojske digitalne krmilne signale v potrebni tok in napetostne signale, skupaj s časom, ki ga zahteva močnostna naprava (hkrati pa zagotavlja določeno stopnjo zaščite pred večino vrst zunanjih okvar). Za SiC FET-e mora prožilno vezje zajemati dodatne funkcije, s katerimi se zagotovi naslednje:

Zmanjševanje prevodnosti in izgub pri preklapljanju ter tudi izgub na vratih. Te izgube zajemajo izklopno in vklopno energijo, Millerjev učinek in zahtevani tok za prožilno vezje. Izklopna energija je funkcija upora vrat in napetosti vrata-vir v izklopljenem stanju. Za zmanjševanje teh se mora tok odvajati iz vrat. Eden od načinov, kako to doseči je ta, da prožilno vezje v času izklopa uporabi negativno prednapetost za napetost vrat. Podobno se vklopna energija zmanjša z zmanjšanjem upornosti vrat.

Zmanjševanje Millerjevega učinka in njegovih negativnih posledic, kjer lahko parazitska kapacitivnost v nekaterih okoliščinah in pri nekaterih konfiguracijah uporabe povzroči nenameren vklop. Ta vklop, ki ga povzroči Millerjev učinek, povečuje energijo za povratno povrnitev in dodatno prispeva k izgubam. Ena rešitev je, da ima prožilno vezje funkcijo, ki jo imenujemo Millerjeva zaščitna sponka, ki med preklapljanjem stopnje moči nadzira prožilni tok.

Zagotovitev potrebnega toka ponora in izvora z ustreznimi napetostmi. SiC naprave na splošno zahtevajo višjo pozitivno prednapetost prožilnega vezja (+20 voltov) kot silicijevi MOSFET-i, da se zmanjša izgube; zahtevajo lahko tudi negativno napetost izklopljenih vrat med -2 do -6 voltov. Potrebni tok vrat se določi z običajnimi izračuni na podlagi naboja vrat (Qg), VDD, toka ponora ID, napetosti med ponorom in izvorom ter upornosti vrat, običajno pa znaša nekaj amperov. Ta tok mora imeti zadosten ponor in izvor toka pri faktorju sledenja izhodni napetosti, sorazmernem s hitrostjo preklapljanja SiC FET-a.

Modeliranje in zmanjševanje parazitike plošče in naprave (parazitske induktivnosti in kapacitivnosti), ki lahko povzročijo oscilacije, prekoračitve napetosti/toka in neustrezno sproženje pri višjih hitrosti preklapljanja teh naprav. Silicijevi MOSFET-i imajo majhen tokovni »rep«, ki deluje kot dušilnik ali blažilnik ter v določeni meri zmanjšuje presežke in odmev. SiC MOSFET-i nimajo tega repa, zato sta lahko presežek napetosti ponora in odmev višja ter lahko povzročata težave. Zmanjševanje teh parazitikov zahteva skrbno pozornost, da se načrtuje težave, zmanjšuje dolžine prevodnikov in namesti prožilno vezje čim bližje močnostni napravi. Razliko lahko naredi že samo nekaj centimetrov, saj je učinek teh parazitivnih induktivnosti in kapacitivnosti bolj izražen pri višjih hitrostih preklapljanja SiC FET-ov. Zmanjševanje odmeva ima še drugo prednost, saj zmanjšuje ustvarjanje elektromagnetnih motenj, povezanih s preklapljanjem pri visoki hitrosti, in sicer tako na prožilni kot na bremenski strani naprave.

Kljub dodatnim težavam, ki so prisotne pri proženju SiC MOSFET-ov, so pri številnih ponudnikih na voljo standardni IC-ji, zasnovani za ta namen, z atributi, ki se ujemajo s specifičnim potrebami SiC naprav. Upoštevajte, da je treba številne zasnove prožilnega vezja in SiC FET-e galvansko izolirati od nizkonapetostnega vezja. To je mogoče implementirati z optičnim, pulznim transformatorjem, ali s kapacitivnimi tehnikami izolacije z uporabo standardnih komponent. Izolacija je kot prvo potrebna zaradi varnosti, da se v primeru okvar vezja uporabnike zaščiti pred visokimi napetostmi, kot drugo pa v številnih topologijah vezij, v katerih MOSFET inherentno ni ozemljen, kot so premostitvene konfiguracije.

Nove naprave izkazujejo večjo zmogljivost
Prvi komercialni SiC MOSEFT, CMF20120D, je predstavilo podjetje Cree/Wolfspeed januarja 2011 (Wolfspeed je oddelek za močnostne in RF-izdelke podjetja Cree; ime je bilo uvedeno v letu 2015); rezine SiC so bile na voljo že nekaj let prej. Nazivno moč je imel 1200 voltov/98 A z upornostjo ob vklopu 80 mΩ (vse to pri 25 ⁰C), na voljo pa je bil v paketu TO-247. Podjetje Cree je kmalu nadaljevalo s procesom 2. generacije, zdaj pa ponuja namenske naprave C3M s SiC MOSFET-i 3. generacije (slika 2).

Primer: med člani prve 900-voltne SiC MOSFET platforme v panogi je C3M0280090J. Ta je optimizirana za aplikacije visokofrekvenčne močnostne elektronike, vključno z inverterji obnovljive energije, sistemi za polnjenje električnih vozil in trifaznimi industrijskimi napajalniki (tabela 1).

Poleg specifikacij napetosti/toka je ta naprava optimizirana za hitro preklapljanje z nizkimi kapacitivnostmi, ima nizkoimpedančnim ohišjem s priključkom prožilnega vira (slika 3), zajema hitro intrinzično diodo z nizkim nabojem reverzne povrnitve (Qrr) in ima široko plazilno razdaljo (~7 milimetrov (mm)) med ponorom in izvorom.

Ta 900-voltna platforma omogoča manjše sisteme za pretvorbo energije naslednje generacije z večjo učinkovitostjo za ceno, ki je primerljiva z rešitvami na osnovi silicija, vendar z bistveno boljšimi specifikacijami. Graf varnega območja delovanja (SOA) povzema zmogljivosti tega SiC FET-a (slika 4). Kadar je napetost med ponorom in izvorom (VDS) nizka, je maksimalni tok omejen z upornostjo v stanju vklopa; in pri zmernem VDS lahko del za kratek čas prenese 15 A.

Ohišje vpliva na zmogljivost
Cree ponuja še tri naprave s podobnimi specifikacijami – C3M0075120D, C3M0075120K in C3M0075120J – razlike med njimi pa nastanejo zaradi ohišja (slika 5).
Številke sicer predstavljajo dejstva, vendar to še ni cela zgodba. Naprava s pripono D je ohišje s tremi priključki (TO-247-3), medtem ko je naprava s pripono K ohišje s štirimi priključki (TO-247-4). Te dve napravi, kot tudi naprava s pripono J s sedmimi priključki, zajemajo nožico Kelvinovega vira, ki zmanjšuje učinke poskokov napetosti, ki jih povzroča L × di/dt v vezju vrat. To omogoča, da se na vratih in izvoru uporabi višja napetost, kar zagotavlja hitrejše dinamično preklapljanje. Rezultati kažejo potencialno zmanjšanje izgub preklapljanja za faktor 3,5, kadar se naprave meri poleg nazivnega toka.

Z razvojnimi ploščami in referenčnimi zasnovami hitreje do uspeha
Čeprav na nasprotnem koncu spektra v primerjavi z RF-zasnovami z gigaherčno frekvenco, ustvarjanje visokozmogljivega vezja za delovanje pri višjih napetostih in razponih energije še vedno zahteva veliko pozornosti na podrobnosti. Vsaka subtilnost in posebnost komponent ter postavitve je povečana in fizično vezje ne odpušča niti najmanjših težav ter spregledanih zadev.

Kot pomoč načrtovalcem pri razvoju SiC FET-ov, kot sta C3M0075120D in C3M0075120K, Cree ponuja komplet za razvoj pretvornikov navzdol-navzgor KIT-CRD-3DD12P, ki demonstrira zmogljivost hitrega preklapljanja teh naprav (slika 6). Zasnovan je tako, da sprejme tako ohišja C3M0075120D s tremi priključki kot tudi, sicer identična ohišja C3M0075120K s štirimi priključki. To načrtovalcu omogoča preizkus in primerjavo delovanja 3. generacije (C3M) MOSFET-ov podjetja Cree/Wolfspeed v različnih ohišjih.

Razvojna plošča je na voljo v pol-mostni konfiguraciji in omogoča dodajanje MOSFET-a ali diode v zgornjem ali spodnjem položaju, tako da je mogoče ploščo konfigurirati v pogostih topologijah za pretvorbo energije, kot je sinhroni pretvornik navzdol ali sinhroni pretvornik navzgor. Omogoča tudi dodajanje diod v zgornji ali spodnji položaj, tako da lahko uporabniki ovrednotijo topologijo asinhronega pretvornika navzdol ali asinhronega pretvornika navzgor.
Razvojna plošča dodatno zajema tuljavo z majhno izgubo, izdelano iz materiala »Sendust«, ki zmanjšuje izgubo energije. Ta magnetni kovinski prašek, znan tudi kot Kool Mµ – sestavljen iz 85 % železa, 9 % silicija in 6 % aluminija – je uporabljen kot alternativa zlitini niklja in železa (permalloy) zaradi izboljšanih specifikacij ključnih magnetnih ter temperaturnih parametrov.

Za uporabnike, ki morajo zasnovati lastno podvezje prožilnega vezja, Cree/Wolfspeed ponuja tudi referenčno zasnovo prožilnega vezja CGD15SG00D2 za te SiC FET-e 3. generacije (slika 7).

Diagram visokonivojskega bloka (slika 8) naprave CGD15SG00D2 prikazuje funkcije te referenčne zasnove, vključno z optosklopnikom (U1), integriranim prožilnim vezjem (U2) in izoliranim napajalnikom (X1). Optosklopnik (izolacija za 5000 volt AC) sprejme signale z modulirano pulzno širino (PWM) in zagotavlja imunost v višini 35/50 kilovoltov (kV)/mikrosekundo (µs) (minimalno/tipično). Druge omembe vredne funkcije:

  • Utor, ki izboljšuje dodeljeno specifikacijo varnostno razdalje med logično in močnostno stranjo tiskanega vezja, ter 9 mm reža, ki povečuje varnostno razdaljo med primarnim in sekundarnim vezjem plošče.
  • 2-vatni izolirani napajalnik, ki podpira delovanje večjih MOSFET-ov pri višjih frekvencah.
  • Ločena upornika za vklop in izklop z namensko diodo, kar uporabniku omogoča prilagajanje ter optimizacijo signalov za vklop in izklop.
  • Tuljava na logičnem vhodu napajanja za večjo odpornost proti elektromagnetnim motnjam.

Zaključek
SiC MOSFET-i tretje generacije podjetja Cree/Wolfspeed ponujajo velike prednosti v zmogljivosti, kar zadeva učinkovitost in toplotno zmogljivost na področju preklapljanja energije, v primerjavi s tradicionalnimi Si MOSFET-i. Če jih združimo s primernim prožilnim vezjem, zagotavljajo zanesljivo, konsistentno zmogljivost, tako za prihajajoče kot tudi za že uveljavljene načine uporabe.

www.digikey.com
Tags: