Новый этап перехода на карбидокремниевую технологию в системах электропитания

Орландо Эспарза (Orlando Esparza), менеджер по стратегическому маркетингу, Microchip

 

Растущий спрос на карбидокремниевую (SiC) технологию позволяет увеличить эффективность современных систем электропитания, уменьшив их размеры, вес и стоимость. Однако SiC-решения не являются заменой кремниевым, и не все они одинаково реализованы. Чтобы воспользоваться преимуществами SiC-технологии, разработчики должны тщательно оценить возможности изделий и поставщиков с точки зрения качества, поставок и технической поддержки и понять, как оптимизировать интеграцию этих многообещающих силовых SiC-компонентов в конечных системах.

 

Спрос на SiC-технологию

Распространение SiC-технологии происходит ускоренными темпами. Возросла доступность и широта выбора SiC-продукции, предлагаемой многими поставщиками компонентов. Объем рынка увеличился вдвое за последние три года и, по прогнозам, вырастет в 20 раз, превзойдя уровень в 10 млрд долл. за последующие 10 лет. Эта технология находит применение не только в приложениях для электромобилей разных типов, но и в других системах электропитания и управления электроприводами в поездах, транспортных средствах большой грузоподъемности, промышленном оборудовании и инфраструктуре для зарядных устройств. Поставщики компонентов для авиакосмической и оборонной промышленностей также продвигают эту технологию, обеспечивающую высокое качество, надежность и удовлетворяющую хорошо известным строгим требованиям этих сегментов рынка к прочности компонентов.

Ключевой частью программы совершенствования SiC-технологии является проверка надежности и прочности карбидокремниевых устройств, поскольку они существенно различаются в зависимости от их поставщиков. В связи с растущей тенденцией учитывать потребности всей проектируемой системы в целом разработчикам приходится оценивать объем предложения продукции от того или иного поставщика. Таким образом, необходимо сотрудничать, в первую очередь, с компаниями, предлагающими гибкие решения по поставкам кристаллов, дискретных компонентов и модулей. Эти решения должны поддерживаться глобальными дистрибьюторами, техническими специалистами, комплексными инструментами моделирования и средствами проектирования. Разработчикам, стремящимся обеспечить соответствие своих изделий требованиям завтрашнего дня, необходимо также изучить новинки, к которым относятся цифровые программируемые драйверы затвора, позволяющие решать проблемы проектирования и легко обеспечивающие тонкую настройку рабочих характеристик системы.

 

Первый шаг: три основных теста

Три теста позволяют оценить надежность SiC-приборов по таким параметрам как устойчивость к лавинному пробою, устойчивость к короткому замыканию и надежность внутреннего диода SiC MOSFET.

Устойчивость к лавинному пробою имеет решающее значение: даже незначительная неисправность пассивного устройства может вызвать скачки переходного напряжения, превышающие номинальное напряжение пробоя, и в конечном итоге привести к отказу устройства или всей системы. SiC MOSFET с высокой устойчивостью к лавинному пробою сокращают потребность в демпфирующих схемах и продлевают срок службы приложений. Величина UIS (Unclamped Inductive Switching – незамкнутое индуктивное переключение) у наилучших моделей SiC MOSFET достигает 25 Дж/см². Деградация параметров этих устройств невелика даже после 100 тыс. циклов повторяющегося тестирования UIS (RUIS).

Второй ключевой тест – время выдержки при коротком замыкании (short circuit withstand time, SCWT), или максимальное время до отказа устройства в условиях короткого замыкания при полном размахе напряжения. Результат должен быть близок к показателям IGBT, используемых в преобразователях для источников питания; у большинства из них величина SCWT находится в диапазоне 5–10 мкс. Обеспечение требуемого значения этого параметра позволяет системам устранять неисправности без повреждений.

Третьим ключевым показателем является стабильность прямого напряжения внутреннего диода SiC MOSFET. Величина этого показателя может существенно меняться в зависимости от производителя. Без надлежащей конструкции устройства, обработки и материалов проводимость этого диода может ухудшиться при эксплуатации, увеличив сопротивление канала в открытом состоянии R_DSon. Рисунок 1 иллюстрирует существующие различия. В исследовании, проведенном сотрудниками Университетом штата Огайо, оценивались MOSFET от трех поставщиков. Было установлено, что характеристики прямого тока всех устройств от поставщика B ухудшились. В то же время никакого ухудшения не наблюдалось у MOSFET от поставщика C.

 

Рис. 1. Характеристики SiC MOSFET, демонстрирующие различия в деградации внутреннего диода в зависимости от поставщика

Supplier – Поставщик

По оси Y: I_DS, A

По оси X: V_DS, В

Pre Stress – Исходное состояние

Post Stress 5 А for 10 hrs – После воздействия тока 5 А в течение 10 ч

Post Stress 5 А for 20 hrs – После воздействия тока 5 А в течение 20 ч

Post Stress 5 А for 100 hrs – После воздействия тока 5 А в течение 100 ч

After 100 hours – Спустя 100 ч

No degradation – Деградация отсутствует

 

После проверки надежности устройства следует оценить степень поддержки экосистемы, включая широту спектра продукции, надежность цепочки поставок и средства поддержки процесса проектирования.

 

Поставка, поддержка и проектирование на системном уровне

Поставщики SiC-кристаллов, число которых постоянно увеличивается, выпускают устройства с разными характеристиками, различаются по опыту и предоставляемой инфраструктуре с целью поддержки и поставок для приложений с жесткими условиями эксплуатации, например для автомобильной электроники, авиакосмической и оборонной промышленностей.

На современном рынке представлено несколько поколений непрерывно совершенствующихся систем электропитания. То же относится и к SiC-приложениям. В системах ранних поколений могут использоваться широкодоступные и стандартные дискретные источники питания с корпусами для сквозного или поверхностного монтажа. По мере увеличения числа приложений, спроса на сокращение массогабаритных показателей и стоимости разработчики, как правило, выбирают интегрированные силовые модули или трехстороннее партнерство. В таком случае партнерами оказываются группа разработчиков конечного изделия, производитель модулей и поставщик SiC-кристаллов. Каждый из них играет решающую роль в достижении общих целей проекта.

Проблемы цепочки поставок являются ключевыми и закономерными на быстрорастущем рынке SiC. Материал SiC-подложки является наиболее дорогостоящим материалом в технологическом процессе изготовления кристалла. Кроме того, карбидокремниевое производство требует использования высокотемпературного оборудования, которое не применяется в разработке силовых изделий и ИС питания на основе кремния. Поставщики SiC-компонентов должны использовать надежную модель цепочки поставок, включающую несколько производственных площадок на случай стихийных бедствий или серьезных проблем с выходом годных, чтобы предложение всегда отвечало спросу. Многие поставщики компонентов предлагают кристаллы устаревших поколений, вынуждая разработчиков тратить время и средства на редизайн существующих приложений, а не на проектирование инновационных решений, которые позволяют снизить затраты на конечное изделие и увеличить доходы.

Необходимая поддержка на этапе проектирования предоставляется с помощью инструментов моделирования и исходных проектов, которые помогают сократить продолжительность цикла разработки. С помощью решений для осуществления контроля и управления SiC-устройствами разработчики получают доступ к исследованию новых возможностей, обеспечиваемых, например, усовершенствованной технологией коммутации (Augmented Switching), позволяющей в полной мере осознать ценность системного подхода. На рисунке 2 показана конструкция SiC-системы со встроенным цифровым программируемым драйвером затвора, который позволяет сократить время разработки и найти новые способы оптимизации. Как видно из таблицы, использование цифровых программируемых драйверов затвора для реализации новейших методов коммутации устраняет шум в SiC-приборах, ускоряет реакцию на КЗ, помогает справиться с проблемами выбросов напряжения и сводит к минимуму перегрев.

 

Рис. 2. Платы модульных адаптеров с драйверами затворов обеспечивают платформу для быстрого анализа и оптимизации новых силовых SiC-приборов с помощью технологии Augmented Switching

 

Таблица. Преимущества применения цифрового программируемого драйвера затвора

Проблема	Причина	Решение с помощью технологии Augmented Switching
ложные срабатывания: КЗ, просадка напряжения	шум	надежное детектирование и схема защиты
слишком медленная реакция на короткое замыкание	характеристика КЗ	быстрое и точное цифровое решение
неуправляемые броски напряжения	перегрузка по напряжению	точная программная «подстройка»
недостаточные данные о рабочих параметрах модулей	ошибки обратной связи драйвера	предоставляются 7 кодов отказа, включая мониторинг температуры и напряжения

 

Новые способы оптимизации решений

Применение цифрового программируемого драйвера затвора позволяет в максимальной мере задействовать преимущества SiC-приборов за счет усовершенствованной технологии коммутации. С помощью драйвера легко конфигурируется время коммутации и уровни напряжения SiC MOSFET, благодаря чему ускоряется переключение и повышается эффективность системы. В то же время сокращается время и упрощается проектирование драйвера затвора. Разработчики получают возможность отказаться от конфигурации платы вручную и использовать для настройки программное обеспечение с целью оптимизации приложения на основе SiC. Такой подход обеспечивает большую перспективу, сокращает время выхода изделия на рынок, повышает эффективность и защиту от сбоев.

Первые пользователи SiC-приборов уже осознали преимущества их применения в автомобильных, промышленных, авиакосмических и оборонных приложениях. В дальнейшем успех будет по-прежнему зависеть от способности карбидокремниевых устройств отвечать требованиям к надежности и прочности. Приняв общую стратегию решения, разработчикам потребуется доступ к широким ассортиментам продукции, поддерживаемой полноценной и надежной глобальной цепочкой поставок, а также всеми необходимыми инструментами моделирования и проектирования. У них также появятся новые возможности для перспективных инвестиций за счет оптимизации новых программно конфигурируемых характеристик, обеспечиваемой цифровыми программируемыми драйверами затвора.

 

MCA845