Microchip Technology Inc.
Avtor: Pradeep Kulkarni, vodja trženja izdelkov za poslovno enoto silicijevega karbida v podjetju Microchip Technology
Medtem ko se sprosti polni potencial tehnologije silicijevega karbida (SiC).
SiC MOSFET-i so najprimernejši za močnostna stikala za visokonapetostne in visokozmogljive aplikacije v vleki, razpršenih energetskih virih (DER), ugnezdenih polnilnikih (OBC), medicinskih in drugih napravah. SiC polprevodniki presegajo svoje silicijeve predhodnike v ključnih zmogljivostih, od višjih delovnih temperatur, prebojne napetosti in hitrosti preklapljanja do nižjega RDS(on) ter izboljšane toplotne zmogljivosti in robustnosti. Prednosti v primerjavi s silicijem dajejo SiC ključno vlogo v globalnih pobudah za trajnostni razvoj, kot so elektrifikacija prometa, širitev infrastrukture za polnjenje električnih vozil in modernizacija vsesmernega električnega omrežja.
SiC tehnologija je že široko sprejeta v srednje- in visokonapetostnih aplikacijah za e-mobilnost, industrijo, obnovljive vire energije/omrežje in druge aplikacije. Da bi v celoti izkoristili njene prednosti, morajo razvijalci sistemov najprej odpraviti neželene sekundarne učinke njenih hitrejših preklopnih hitrosti. Tradicionalni gonilniki vrat niso primerni za reševanje teh izzivov, povezanih s SiC, saj so se zasnove sistemov na osnovi SiC povečale v kompleksnosti – ti tradicionalni gonilniki vrat so bili ustvarjeni za uporabo z veliko počasnejšimi silicijevimi bipolarni tranzistorji z izoliranimi vrati (IGBT).
Razvijalci sistemov na osnovi SiC, ki želijo hitrejši čas uvedbe na trg, fleksibilnost in izboljšane zmogljivosti načrtovanja, se namesto tega obračajo k inteligentnim, nastavljivim digitalnim gonilnikom vrat, ki jim omogočajo tudi enostavno optimizacijo zmogljivosti preklapljanja z enostavnostjo in udobjem svojih tipkovnic, namesto da bi ponovno vrteli sistemsko ploščo ali na njo spajkali upore vratih tranzistorjev.
Reševanje sekundarnih učinkov SiC
Načrtovalci, ki uporabljajo SiC tehnologijo, se soočajo z novimi dinamičnimi izzivi na področju učinkovitega delovanja in varnega nadzora naprav. Ker je preklapljanje SiC veliko hitrejše od silicija, hitrejši prehodi napetosti in toka ustvarjajo izzive ali sekundarne učinke, in stem povzročajo potencialni šum in elektromagnetne motnje (EMI), zvonjenje, prenapetost in pregrevanje. Ti učinki lahko povzročijo okvaro naprave, neželen šum, nižjo zmogljivost sistema in druge težave, če razvijalci ne uporabijo skrbnega načrtovanja vezja in filtriranja, med drugimi ukrepi za zmanjšanje tveganja.
Sistemski načrtovalci, ki uporabljajo silicijeve IGBT-je, na splošno niso morali porabiti veliko časa za zmanjševanje sekundarnih učinkov, kot so ti, in so lahko uporabljali tradicionalne analogne gonilnike vrat. Uporaba tradicionalnih analognih gonilnikov vrat s SiC tehnologijo povzroča neučinkovitost zaradi zahteve po znatno hitrejšem odzivnem času v primeru napak. Analogni gonilniki vrat so tudi težko spremenljivi, da bi se lahko optimiziralo preklapljanje in zmogljivost.
Digitalni gonilniki vrat rešujejo te izzive in hkrati zagotavljajo robustno zaščito pred kratkim stikom. Ključni element najnovejših digitalnih gonilnikov vrat je programsko nastavljiv pristop z uporabo profilov gonilnikov vrat. Ta pristop omogoča digitalno konfiguracijo preklopnih lastnosti SiC napajalnih naprav za najboljšo možno učinkovitost na podlagi meril uporabe, od ravni moči in preklopnih frekvenc do obremenitvenih pogojev.
Prednosti rešitev mSiC™ in konfigurativne Augmented Switching™ tehnologije
Ena od največjih prednosti današnjih digitalnih gonilnikov vrat je, da jih je mogoče dopolniti znastavljivimi profili vklopa in izklopa. To načrtovalcem omogoča, da dosežejo do 50 odstotkov nižje izgube pri preklopu in do 80 odstotkov nižji prenihaj VDS.
Rešitve Microchipovega mSiC gonilnika vrat s tehnologijo Augmented Switching zagotavljajo profile gonilnika vrat, ki obsegajo vrsto korakov za nadzorovanje napetosti vklopa in izklopa vrat ter njihovega trajanja. Načrtovalci lahko te profile enostavno in hitro digitalno spreminjajo s pomočjo programske opreme, da se prilagodijo njihovim specifičnim potrebam aplikacij, namesto da bi morali spreminjati strojno opremo. Tehnika vključuje tudi neodvisen odziv na kratki stik in robustno spremljanje/odkrivanje napak.
Slika 1 prikazuje, kako ta vrsta pogona vrat deluje za izvedbo nastavljivega preklopa pri izklopu. Zgornja slika v vsakem stolpcu je grafični urejevalnik Intelligent Configurable Tool (ICT), spodnja slika pa je posnetek rezultata posnetega z osciloskopoma valovnimi oblikami ob izklopu. Levi grafikon prikazuje konvencionalni preklop (povečani izklop je onemogočen). Srednji grafikon prikazuje uporabo ene nastavitve povečanega izklopa, tretji grafikon pa prikazuje drugo možnost izklopa. Pogoji v vsakem primeru so bili 600 V VDS in 400 A IDS z 1,1 Ω vratnimi upori.
Tretji grafikon prikazuje želeni rezultat: zmanjšan vrh 712 V prekoračitve skupaj z nižjim napetostnim in tokovnim zvonjenjem. To se doseže tako, da se prične pri napetosti 20 V, nato pa se nadaljuje do nastavljive vmesne ravni 4,5 V in se tam zadrži 650 nanosekund (ns), preden se spusti na izklopno napetost -5 V. Izklopna energija, ki je bila povečana na 16 mJ, je bila na račun zmanjšane prekoračitve in zvonjenja (EMI).
Poleg nastavljivih profilov sodobne rešitve vključujejo tudi dodatne ravni zaznavanja napak in odzivanja na kratke stike. Te zmogljivosti skupaj načrtovalcem omogočajo več ravni nadzora in zaščite, kar zagotavlja varno in zanesljivo delovanje.
Za mnoge načrtovalce, ki uporabljajo SiC MOSFET-e, vprašanje ni, ali naj uporabijo inteligentne digitalne gonilnike vrat, ampak ali naj jih za svoje specifične potrebe izdelajo od začetka ali uporabijo plug-and-play rešitev gonilnika vrat. Obstaja več možnosti, ki jih je treba upoštevati.
Razmisleki o zasnovi pri izvajanju rešitve za svoj ali plug-and-play gonilnik vrat
Razvijalci lahko ustvarijo svoje lastne popolnoma funkcionalne rešitve za krmiljenje SiC MOSFET z napetostmi ±VGS, ki jih je mogoče konfigurirati s programsko opremo. To je mogoče storiti z uporabo digitalnih jedrnih krmilnikov, ki jih podpirajo modulne plošče, ki olajšujejo testiranje in razvoj. Za to so na voljo tudi razvojni kompleti digitalnih krmilnikov.
Nekateri razvijalci sistemov nimajo lastnih inženirskih znanj za razvoj lastnih rešitev, zaradi pritiska časa za uvedbo na trg pa potrebujejo rešitev, ki jo je mogoče hitreje implementirati. V takih primerih je na voljo plug-and-play pristop, kot so plug-and-play mSiC gonilniki vrat podjetja Microchip, ki uporabljajo krmilne plošče za vrata, ki delujejo takoj po namestitvi s prednastavljenimi nastavitvami modulov. Te plošče podpirajo programski kompleti in programska ICT oprema, ki omogočajo dodatno optimizacijo, kot jo zahteva aplikacija, ne glede na to, ali gre za težka vozila in pomožne napajalne enote (APU) ali sisteme za polnjenje, shranjevanje, pretvornike in indukcijsko ogrevanje.
Druga prednost plug-and-play gonilnikov vrat je, da so že usposobljeni za izpolnjevanje industrijskih standardov in lažji za sestavljanje kot alternativni pristopi. Znižujejo stroške in poenostavljajo razvoj, hkrati pa odpravljajo tveganje prekinitve dobavne verige.
Na primer, standardno ohišje za polprevodniške naprave LinPak je sprejelo veliko število proizvajalcev modulov. Vključuje modul LinPak za nizko napetost (LV) in novejšo različico za visoko napetost (HV) za izolirane SiC MOSFET module. Slednji temelji na uspehu različice LV z enako nizko induktivnostjo, vzporedno zmogljivostjo in visoko gostoto moči. Med številnimi prednostmi tega dvojnega (ali faznega) HV modula je, da so glavni napajalni priključki nameščeni na vsaki strani ohišja, tako da je mogoče enoto vrat udobno namestiti na sredini modula, razporeditev DC+ in DC- priključkov pa zmanjšuje induktivnost pri komutaciji.
Za podporo tem nizko- in visokonapetostnim modulom so današnji plug-and-play gonilniki vrat vnaprej nastavljivi in optimizirani za takojšnjo uporabo v aplikacijah, ki segajo od železniške vleke, polnjenja baterij, pametnih omrežij in UPS sistemov do industrijskih motornih pogonov in težke opreme. Na primeru 3,3 kV HV LinPak modulov današnji digitalni gonilniki vrat uporabljajo nastavljive profile preklapljanja za spremljanje poročil o napakah in izboljšanje nadzora nad napajalnimi sistemi na osnovi SiC MOSFET. Podpirajo 10,2 kV primarno-sekundarno izolacijo, nastavljive profile vklopa/izklopa ter izolirano spremljanje temperature in DC povezave.
V primeru, prikazanem na sliki 2, inteligentni izolirani gonilnik vrat izpolnjuje številne ključne standarde za železniške aplikacije, vključno z EN50155 za zagotavljanje zanesljivosti v zahtevnih okoljih, EN50121-3-2 in EN61000-6-4 za zaščito EMC, EN 61373 za odpornost proti udarcem in vibracijam ter stopnjo nevarnosti (HL) 2 iz klasifikacije požarne varnosti EN 45545-2.
Od elektrifikacije do modernizacije omrežja
SiC tehnologija s široko prepustno vrzeljo že igra ključno vlogo pri elektrifikaciji vsega in bo kmalu obravnavala tudi druge pomembne izzive, kot je potreba po prenovi omrežja, da se doseže potreben vsesmerni pretok energije za poenostavitev poteka pridobljene energije od distribucije do končne obdelave in uporabe.
Te in druge težave bo lažje rešiti z današnjim programsko nastavljivim pristopom k krmiljenju SiC MOSFET vrat. Ta pristop zmanjšuje izgube pri preklapljanju in zvonjenje, hkrati pa izboljša gostoto moči sistema nad tisto, kar je mogoče doseči s standardnimi analognimi krmilniki vrat MOSFET tranzistorjev za ublažitev sekundarnih učinkov SiC tehnologije. Razvijalci imajo na voljo več možnosti za izdelavo ali nakup mSiC gonilnikov, od digitalnih jeder gonilnikov, ki jih podpirajo modularne plošče, do plug-and-play rešitev, ki so vnaprej nastavljene za široko sprejeta modularna ohišja, kar razvijalcem in načrtovalcem pomaga pri enostavni, hitri in zanesljivi uporabi SiC tranzistorjev.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
