Zanesljivost je bila pereča tema, ki smo jo obravnavali v prejšnjih številkah revije. Obravnavana je bila lavinska odpornost in drugi parametri, ki niso navedeni na podatkovnem listu.
Microchip Technology Inc.
Avtor:Tomas Krecek, Nitesh Satheesh
V tej številki avtorji analizirajo zahteve pomožne napajalne enote (APU) v prometu in predstavijo idealne statične in dinamične lastnosti SiC MOSFET-a, diode in gonilnikov vrat.
Zakaj široka pasovna verzel?
Za vsakega inženirja močnostne elektronike je bistveno, da ima splošno razumevanje fizike polprevodnikov, ki velja za močnostne polprevodniške stikalne naprave, da razume neidealne električne pojave v napravi in njihove učinke, ki vplivajo na ciljno uporabo. Idealno stikalo ima pri izklopu neskončno upornost, pri vklopu ničelno upornost in med tema dvema stanjema preklaplja v trenutku. Kvantitativno najbližje tej opredelitvi je močnostna naprava na osnovi MOSFET, saj je unipolarna. Tok v stanju vklopa v strukturi močnostnega MOSFET-a poteka z unipolarnim prenosom, kar pomeni, da so v primeru n-kanalnih naprav vključeni samo elektroni. Odsotnost injiciranja manjšinskih nosilcev naboja omogoča prekinitev pretoka toka takoj po zmanjšanju napetosti na vratih pod določeno mejno napetost.
Po drugi strani pa bipolarna naprava, ki uporablja bipolarno modulacijo (elektron- verzel) in vbrizgava verzeli v osnovno območje, močno izboljša prevodne sposobnosti. Te “dodatne” vbrizgane nosilce je treba odstraniti pri preklopu naprave iz vklopljenega v izklopljeno stanje. To je mogoče doseči z odstranjevanjem naboja s krmilnim tokom na vratih ali s procesom rekombinacije elektronov in verzeli. Ta inherentna lastnost bipolarne naprave povzroča znatne izgube energije, ki poslabšajo preklopno zmogljivost. Zato unipolarne naprave bolje ustrezajo enemu od treh idealnih meril, ki smo jih navedli zgoraj, da lahko idealno stikalo takoj prehaja med stanji ON/OFF.
Kako izboljšati druga dve idealistični merili? Električni tok v polprevodniški napravi mora teči skozi območje, ki se imenuje območje drsenja (angl. drifta) (glej sliko 2). Naloga tega območja je, da v izklopljenem stanju popolnoma blokira nazivno napetost. Za višjo blokirno napetost je potrebna večja dolžina kanala, kar ima za posledico večjo upornost. To kaže na dejstvo, da je naše idealno delovanje močnostnega stikala slabše pri višjih nazivnih napetostih.
Če upoštevamo lastnosti Si materiala, so nazivne napetosti, višje od 200 V, zaradi predolgega kanala (naprava postane električno in ekonomsko nevzdržna) vse večji izziv. Bipolarne naprave, kot so IGBT, so v takšnih primerih še posebej koristne (s kompromisom pri preklopu), ali pa so alternativa polprevodniki s široko pasovno širino, ki zagotavljajo tehnično rešitev z minimalnimi kompromisi. Slika 1 poudarja prednosti širokega valenčnega pasu (delci ne morejo zasesti tega pasu). Glavna prednost materiala s “široko pasovno vrzeljo” je, da je boljši izolator v blokirnem načinu (bližje izolatorju na levi) in zelo dober prevodnik v prevodnem načinu (mobilnost nosilcev je visoka tako pri Si kot pri SiC).
Katere prednosti širokopasovne vrzeli obstajajo v ciljni aplikaciji?
Pojasnili smo že, da WBG polprevodnik omogoča izdelavo inherentno hitre MOSFET strukture za zelo visoke blokirne napetosti. To je zlasti zelo praktično za DCDC pretvornike v resonančnem načinu. Izhodne karakteristike (slika 3a) kažejo več o prevodnih lastnostih take naprave. Za primerjavo je uporabljen Si-IGBT; vidimo, da je v določenih presečnih točkah, pri skoraj nominalnem toku obeh naprav, SiC-MOSFET po naravi bolj zmogljiv (manjši padec napetosti). To na koncu privede do ravne krivulje učinkovitosti in koristi vsem pretvornikom, ki delujejo pretežno pri majhnih obremenitvah do rahlo večja od nazivne moči.
Zelo zanimiva značilnost strukture SiC-MOSFET je v tretjem kvadrantu, včasih imenovanem tudi rektifikacijski kvadrant, ki je prikazan na sliki 3c. V tem načinu lahko SiC-MOSFET deluje kot dioda ali če vklopimo kanal, to odpre napravo, kar povzroči izjemno majhne prevodne izgube. Takšno stikalo deluje kot dvosmerno stikalo s skoraj enakim delovanjem v obeh smereh.
Izzivi krmiljenja vrat
Potrebne so višje napetosti na vratih: Običajno so višje pragovne napetosti na vratih za SiC naprave posledica večje pasovne vrzeli in višje koncentracije P-osnovne plasti (glej sliko 2), predvsem zato, da bi se izognili preboju. To vodi do temeljnega izziva pri doseganju razumnih napetosti na vratih v silicijevem karbidu, da se popolnoma odpre kanal. Na sliki 3b so prikazane tipične prenosne karakteristike SiC -MOS in Si-IGBT. Bralci bodo opazili nekoliko “počasnejše” odpiranje kanala SiC-MOS, pri katerem se minimalni Rdson doseže pri približno 20 V. Od tu mora gonilnik vrat stalno zagotavljati 20V napetost na vratih in v idealnem primeru mora biti ta nastavljiva.
Zaradi preostalega naboja, ki ostane na vratih, je v SiC-MOS strukturah negativna prednapetost obvezna in spet idealna, če jo je mogoče konfigurirati za optimizacijo. Kombinacija skoraj idealnega močnostnega stikala in parazitskih komponent ohišja (glej sliko 4), ki jih obdajajo, povzroča prenapetosti in oscilacije. Ključno je (a) zmanjšati vse zunanje povezave z enosmernim tokom + povezave + poti vrat in notranje blodeče napredne elemente ohišja napajalnega modula, vključno s Kelvinovimi povezavami vrat; (b) uporabiti optimizirano tehnologijo SiC-MOS in (c) če je mogoče, uporabiti napredno tehniko krmiljenja vrat, kot je aktivno krmiljenje napetosti vrat (Augmented Switching™), kot je prikazano na sliki 4.
Povzetek
Zaradi odlične kombinacije hitrega preklapljanja in visokonapetostnega delovanja je SiC MOSFET idealen kandidat za pomožne napajalnike, zlasti zaradi odličnega delovanja v tretjem kvadrantu. Zaradi nastajajočih tehnologij, kot so vlaki na baterije, je še bolj privlačna izbira, ne glede na mehko ali trdo preklapljanje. Z naprednim pakiranjem za zmanjšanje parazitnih lastnosti in tehnikami digitalnega krmiljenja vrat lahko iz teh mogočnih zveri iztisnemo vsak kanček zmogljivosti.
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.
