Когда следует сменить кремниевые транзисторы на карбид-кремниевые

30 августа

К числу целевых приложений SiC MOSFET производства SUNCO с напряжением 650 В относятся системы электропитания с КПД ≥ 97%, импульсные преобразователи, в которых используется или может возникнуть режим жестких переключений, а также мощное силовое оборудование.

В связи с ростом привлекательности карбид-кремниевой технологии для более низковольтных приложений разработчики должны хорошо понимать, в каких случаях классические кремниевые MOSFET следует заменять транзисторами, изготавливаемыми по новой технологии.

В результате постоянного совершенствования импульсных источников питания (ИИП) их КПД достиг максимального значения, которое может обеспечить классическая кремниевая (Si) технология. Этому способствовали внедрение новых технологических процессов изготовления полупроводниковых приборов, применение новых методов проектирования, а также использование новых топологий импульсных источников питания (ИИП). В последние годы были разработаны технологии создания полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, в том числе карбид-кремниевая (SiC) технология. Полупроводниковые компоненты, изготовленные по этой технологии, обладают рядом характеристик, позволяющих разработчикам создавать более эффективные устройства. Кроме того, в настоящее время они имеют стоимость, сопоставимую с изготавливаемыми по традиционной технологии компонентами сравнимой мощности. С того момента, как в дополнение к существующим SiC MOSFET на 1200 В появились 650-вольтовые компоненты, применение карбид-кремниевых полупроводниковых приборов стало оправданным даже в тех приложениях, которые ранее даже не рассматривались в этом контексте.

Импульсные преобразователи используются в самых разных устройствах. Типичная область их применения – это обычные источники питания общего назначения. Также ИИП применяются в различном силовом оборудовании, начиная с солнечных электростанций и ветроэнергетических установок и заканчивая электроприводами и зарядными устройствами для электромобилей. До сегодняшнего дня практически во всех устройствах, работающих с напряжениями более 1000 В, использовались IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором). Сейчас их начали вытеснять SiC MOSFET, особенно там, где требуется коммутировать силовые ключи с большой частотой и где необходимо обеспечить повышенную удельную мощность. В диапазоне напряжений до 650 В технология SiC позволяет реализовывать топологии, обеспечивающие высокие значения КПД. В качестве примера можно привести схему коррекции коэффициента мощности (PFC), работающую в режиме непрерывных токов (CCM). Данная схема находит применение в серверах, телекоммуникационном оборудовании, оборудовании формовки аккумуляторных батарей, зарядных устройств электромобилей, а также во многих других устройствах. При этом увеличивается КПД системы, надежность, а также снижается общая стоимость владения (TCO).

Подробнее о некоторых преимуществах

Решение об использовании новых полупроводниковых компонентов принимается, прежде всего, исходя из таких характеристик, как желаемые КПД и удельная мощность конечного устройства. Карбид-кремниевые MOSFET, в отличие от классических, отличаются большей стабильностью параметра R_DS(on) во всем диапазоне рабочих температур. А поскольку увеличение рабочей температуры оказывает меньшее влияние на данную характеристику, становится возможным создавать конструкции с более плотным монтажом, а в некоторых случаях и с упрощенной системой охлаждения

Для управления SiC-ключами, в принципе, можно использовать те же драйверы затвора, формирующие стандартные напряжения управления (0/15 В), которые применяются для управления традиционными Si MOSFET. Однако, поскольку значение R_DS(on) зависит от напряжения затвора, имеет смысл использовать драйверы с более высоким выходным напряжением. Это позволит уменьшить R_DS(on) до 18% по сравнению со значением, при напряжении 15 В (при 60°C).

Кроме того, следует исключить попадание на затвор SiC MOSFET отрицательного напряжения, поскольку это может вызвать дрейф порогового напряжения V_GS(th). Исследования показали, что этот дрейф может привести к небольшому увеличению R_DS(on) при работе в течение длительного времени. Напряжение отсечки V_GS(off) может стать отрицательным из-за высокой скорости нарастания тока di/dt, обусловленной падением напряжения на индуктивности истока в контуре цепи управления затвором. То же может произойти из-за очень высокой скорости нарастания напряжения dv/dt, обусловленной емкостью «затвор-сток» второго ключа полумоста (зачастую преобладает именно этот фактор). Очевидно, данную проблему можно решить, уменьшив значения dv/dt и di/dt, однако это приведет к снижению КПД.

Вместо этого рекомендуется между затвором и истоком ключа устанавливать защитный диод, который будет ограничивать напряжение на затворе на уровне -2 В, предотвращая тем самым дрейф V_GS(th). При желании можно использовать и другие простые в реализации меры, позволяющие уменьшить влияние индуктивности. Прежде всего следует отделить землю драйвера от силовой земли – это позволит исключить индуктивность цепи истока из контура управления затвором. Использование отдельного вывода Кельвина в истоке (при его наличии) также позволит значительно увеличить эффективность работы ключа, особенно при больших значениях тока стока (рисунок 1).

Рис. 1. Ограничительный диод (а), разделение «земель» драйвера и силового каскада и использование вывода Кельвина в истоке (б)

Влияние заряда обратного восстановления на выбор топологии

Заряд обратного восстановления (Q_rr) – один из наиболее важных параметров, которые необходимо учитывать при разработке, особенно в случае использования резонансных топологий или схем, работающих в режиме жесткого переключения. Любой MOSFET имеет внутренний паразитный диод, а параметр Q_rr определяет величину заряда, который необходимо снять с перехода этого диода, чтобы последний перешел из состояния проводимости в закрытое состояние (рисунок 2). Производители полупроводниковых компонентов провели большую работу по уменьшению этого параметра, результатом которой стало появление транзисторов с быстродействующим паразитным диодом. Таким образом удалось уменьшить значение Q_rr в 10 раз по сравнению с ранее выпускавшимися MOSFET, выпускаемых по традиционной Si-технологии.

Рис. 2. Q_rr – это заряд, который должен высвободить паразитный диод, чтобы перейти из состояния проводимости в закрытое состояние (а), значение этого заряда определяется площадью заштрихованной области (б)

При проектировании силового оборудования стараются добиться, чтобы эффективность системы при 50% нагрузке достигала 98%. Для обеспечения таких характеристик КПД схемы коррекции коэффициента мощности (ККМ) должен составлять не менее 99%, в противном случае вероятность достижения желаемой эффективности системы существенно уменьшается. Малое значение Q_rr SiC MOSFET позволяет реализовывать на их основе схемы ККМ, работающие в режиме жесткого переключения. Для этого была разработана топология Totem-Pole, в которой силовые ключи работают в режиме непрерывных токов (continuous conduction mode, CCM). Реализация этой же топологии на MOSFET требует использования специального метода управления ключами, называемого triangular current mode (TCM).

Выходная емкость SiC MOSFET

Еще один важный параметр Si и SiC MOSFET – выходная емкость C_OSS. Энергия E_OSS, запасаемая в этой емкости, должна рассеиваться во время открытия ключа при ненулевом напряжении. Меньшее значение этой емкости позволяет увеличить скорость переключения, но, в то же время, приводит к выбросу напряжения «сток-исток» (V_DS) в момент открытия транзистора. При использовании ключей на основе SiC для компенсации этого явления в цепь затвора устанавливается резистор (R_G), уменьшающий скорость переключения. Кроме того, он позволяет ограничить напряжение «сток-исток» в пределах 80% от допустимого значения. С другой стороны, добавление этого резистора увеличивает потери на переключение, особенно в моменты закрытия ключа, при возрастании тока.

С одной стороны, при напряжении V_DS, начиная с 50…60 В, SiC MOSFET имеют более высокое значение C_OSS, чем аналогичные Si MOSFET. С другой стороны, они характеризуются гораздо меньшей зависимостью C_OSS от V_DS. Это означает, что при реализации той же схемы на SiC MOSFET можно использовать внешние резисторы R_G меньшего номинала и все равно обеспечить работу в безопасном режиме при напряжении в пределах 80% от допустимого. Это может быть выгодно при реализации определенных топологий, например, резонансных LLC-преобразователей.

Может показаться, что у технологии SiC нет недостатков. Конечно же, это далеко не так, поэтому для улучшения эксплуатационных характеристик и увеличения КПД ИИП вовсе недостаточно просто заменить Si MOSFET на аналогичные SiC MOSFET. Как минимум, необходимо учесть тот факт, что прямое напряжение паразитного диода SiC MOSFET примерно в четыре раза выше, чем у аналогичного Si MOSFET. Очевидно, что простая замена силовых ключей приведет к четырехкратному росту потерь проводимости внутреннего диода. В итоге мы недосчитаемся потенциальных 0,5% КПД при работе ИИП на небольшую нагрузку. Для достижения максимального КПД необходимо, чтобы большая часть тока в используемой схеме протекала через открытые каналы ключей, а не через паразитные диоды. С практической точки зрения это означает необходимость коррекции длительности защитных интервалов таким образом, чтобы можно было в полной мере воспользоваться преимуществами SiC MOSFET.

По мере того, как на рынке появляется все больше SiC MOSFET на напряжение 650 В, увеличивается привлекательность данной технологии для самых разных областей применения. К числу целевых приложений относятся системы электропитания, в которых требуется обеспечить КПД ≥ 97%, импульсные преобразователи, где используется или может возникнуть режим жестких переключений, а также мощное силовое оборудование. Вместе с тем следует понимать, что характеристики SiC и Si MOSFET сильно отличаются. С одной стороны большую часть решений, реализованных в существующих ИИП, можно сохранить. Однако внесение в схемы определенных изменений, в частности, касающихся величины напряжения управления затвора и реализации защитных временных интервалов («мертвого» времени), позволит в полной мере использовать преимущества SiC-компонентов в конечных изделиях.

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ