Рене Мент (René Mente), ведущий инженер по приложениям, Infineon Technologies
По мере того как карбидокремниевые устройства получают все большее распространение в низковольтных приложениях, необходимо четко понимать, в каких случаях разумнее использовать SiC MOSFET вместо кремниевых ключей. ПДФ версия
Эффективность импульсных источников питания увеличилась благодаря использованию классической кремниевой (Si) технологии MOSFET. Ее возможности возросли за счет применения новых производственных процессов, методологий проектирования и инновационных топологий. За несколько последних лет появились полупроводники с широкой запрещенной зоной, к которым относится карбид кремния (SiC). Ряд характеристик этого материала позволяет повысить эффективность устройств, но при этом не следует забывать о ценовых различиях между этими двумя технологиями. С появлением 650-В SiC MOSFET, которые дополнили 1200-В устройства, технология SiC стала привлекательной в тех приложениях, в которых прежде не использовалась.
Импульсные источники питания и силовые преобразователи применяются в широком ряду приложений. К ним относятся традиционные источники питания общего назначения, фотоэлектрические системы и ветрогенераторы, а также электроприводы двигателей и системы зарядки электромобилей. При напряжениях выше 1000 В в основном применяются IGBT, а карбидокремниевые ключи получили применение в системах с высокочастотной коммутацией и достаточно высокой плотностью мощности. В 650-В диапазоне SiC-устройства позволяют реализовать высокоэффективные топологии, например схему коррекции коэффициента мощности (ККМ) в режиме непрерывной проводимости. Она применяется в серверах, устройствах телекоммуникаций, приложениях с аккумуляторным питанием, для зарядки электромобилей и т.д. Такие приложения стали более эффективными, надежными и рентабельными.
Преимущества CoolSiC MOSFET
Одними из главных требований для перехода на новую технологию является необходимость повысить эффективность и плотность мощности приложения. По сравнению с кремниевыми MOSFET, у карбидокремниевых ключей – намного более стабильное сопротивление открытого канала RDS(ON) во всем диапазоне рабочей температуры. Поскольку у Si MOSFET значение RDS(ON) нормируется при 25°C, типовое значение этого сопротивления SiC MOSFET указывается при этой же температуре, напряжении управления затвора (обычно 18 В) и при определенном токе стока (ID). У типового устройства CoolMOS сопротивление открытого канала может увеличиться в 1,67 раза в диапазоне температуры 25–100°C, а у сопоставимого устройства CoolSiC – всего в 1,13 раза. Это значит, что у 84-мОм CoolSiC MOSFET – те же потери проводимости, что у ключа CoolMOS на 57 мОм при рабочей температуре. Поскольку более высокая рабочая температура меньше влияет на эффективность, появляется возможность увеличить плотность элементов конструкции, а в некоторых случаях – использовать более простые методы охлаждения.
После перехода на SiC-технологию можно по-прежнему использовать те же драйверы, что и в случае традиционных Si-устройств; при этом напряжение управления затвором достигает 15 В. Поскольку, однако, это напряжение также влияет на величину сопротивления открытого канала, стоит подумать о небольших изменениях. В случае CoolSiC MOSFET управляющее напряжение затвора находится в диапазоне 0–18 В, благодаря чему RDS(ON) можно уменьшить на 18% по сравнению с использованием 15 В (при 60°C) (см. рис. 1).
Рис. 1. Сравнение значений RDS(ON) ключа CoolSiC при разных напряжениях управления затвором и разных температурах
Необходимо избегать отрицательного напряжения на затворе SiC MOSFET, т.к. оно в определенных случаях вызывает дрейф порогового напряжение затвора VGS(th). Исследования показали, что дрейф может привести к небольшому увеличению RDS(ON) в течение достаточно продолжительных периодов работы. Уровень VGS(выкл.) может стать отрицательным из-за высоких значений di/dt в результате падения напряжения на индуктивности истока в контуре управления затвором. Этот эффект также наблюдается при очень высоких значениях dv/dt, обусловленных емкостью затвор–сток комплементарного ключа в полумостовых конфигурациях. Данный эффект часто является большей из двух указанных проблем. Очевидно, что уменьшение dv/dt и di/dt решило бы эту проблему, но привело бы к снижению эффективности.
Вместо этого рекомендуется использовать ограничивающий диод между затвором и истоком ключа, который ограничивает отрицательное напряжение на затворе до уровня выше –2 В, защищая устройство от дрейфа VGS(th). При необходимости предпринимаются дополнительные достаточно простые меры, направленные на уменьшение влияния индуктивности. Они предусматривают разделение заземлений драйвера и питания, позволяя удалить индуктивность истока из контура управления затвором. Использование схемы Кельвина, если это возможно, также значительно повышает эффективность, особенно при самых высоких токах стока (см. рис. 2).
Рис. 2. а) диодный ограничитель разделяет цепи питания и управления; б) схема Кельвина ограничивает отрицательные напряжения на затворе
Влияние заряда обратного восстановления на выбор топологии
Заряд обратного восстановления – один из важнейших параметров, который следует учитывать особенно в резонансных топологиях или схемах, где используется непрерывная жесткая коммутация проводящего встроенного диода. Заряд QRR встроенного диода MOSFET необходимо удалить после окончания проводимости (см. рис. 3). Значительные усилия были предприняты, чтобы существенно уменьшить этот заряд у ключей семейства CoolMOS за счет применения быстрых встроенных диодов с улучшенными характеристиками. Так, например, у предшествовавших моделей MOSFET заряд QRR стал меньше в 10 раз, а у ключей CoolSiC он меньше в 10 раз, чем у самых новых устройств CoolMOS с быстрыми встроенными диодами.
Рис. 3. Заряд QRR, соответствующий заштрихованной области (QF + QS), следует удалить из внутреннего диода по окончании режима проводимости
Поскольку производители полупроводников стремятся, чтобы эффективность системы достигла 98% при 50-% нагрузке, КПД каскада ККМ не должен быть менее 99%. В противном случае эффективность системы становится значительно меньше. Благодаря тому, что у ключей CoolSiC величина QRR стала существенно ниже, в каскаде ККМ можно использовать топологии жесткого переключения. Вместо использования режима, при котором ток имеет треугольную форму (TCM), рекомендуемую для CoolMOS, для ККМ можно в режиме непрерывной проводимости (CCM) реализовать безмостовой ККМ (Totem Pole PFC).
Выходная емкость SiC-ключей
Еще одним важным показателем при использовании ключей MOSFET, построенных по одной из двух технологий, является выходная емкость COSS (см. рис. 4).
Рис. 4. Сравнение значений COSS при разных напряжениях VDS ключа CoolMOS и нескольких устройств CoolSiC
Накапливающаяся в ней энергия EOSS должна рассеиваться во время включения при ненулевом напряжении. Хотя меньшая емкость и позволяет использовать более высокие скорости переключения, но все равно во время отключения происходит перенапряжение на стоке VDS. В ключах CoolMOS оно снижается с помощью резистора затвора RG, который уменьшает скорость коммутации. Перенапряжение таким способом удается снизить до уровня 80% от номинального напряжения сток-исток,однако из-за резистора RG увеличиваются коммутационные потери, особенно при выключениибольших токов.
Хотя у устройств CoolSiC – больше величина COSS, чем у сопоставимых ключей CoolMOS при VDS ≈ 50–60 В, у них намного более линейная зависимость между COSS и VDS. Это значит, что в одной и той же цепи ключи CoolSiC можно использовать при меньшем значении внешнего резистора RG. Такая возможность бывает востребована в некоторых коммутационных топологиях, например в резонансных LLC DC/DC-преобразователях (см. рис. 5).
Рис. 5. Нормируемое напряжение VDS резонансного LLC-преобразователя при запуске можно легко уменьшить на 80% с помощью CoolSiC MOSFET, не используя резистор RG
Несмотря на многие преимущества технологии SiC, кремниевые ключи MOSFET нельзя просто заменить альтернативными SiC-устройствами, чтобы улучшить характеристики импульсных источников питания. Следует учитывать, что у встроенного диода SiC MOSFET – прямое напряжение примерно в четыре раза выше, чем у сопоставимого Si-устройства. Замена Si-ключей SiC-устройствами неизбежно приведет к потерям проводимости этого диода, которые примерно в четыре раза выше. При этом возможные потери эффективности составили бы 0,5% в условиях небольшой нагрузки. Для максимальной эффективности необходимо обеспечить протекание тока через канал MOSFET (синхронное выпрямление), а не через внутренний диод. На практике с этой целью изменяют величину мертвого времени таким образом, чтобы в полной мере реализовать преимущества SiC MOSFET.
Выводы
По мере того как на рынке появляется все больше решений SiC MOSFET класса 650 В, эта технология становится привлекательнее для использовании в широком ряду приложений. К ним относятся системы с эффективностью выше 97%, преобразователи с жесткой коммутацией, а также приложения с высокой мощностью. Заметим, однако, что у SiC и Si MOSFET – совершенно разные характеристики. Следует понимать, что во многих случаях в импульсных источниках питания можно по-прежнему успешно использовать кремниевую технологию, а для реализации всех преимуществ карбидокремниевых устройств требуется изменить определенные параметры схемы, например напряжение управления затвором и мертвое время.
22 сентября, 2020
9 июля, 2012
30 марта, 2017
В высокочастотных маломощных устройствах ( 10 кВт) силовые ключи не являются «ценообразующими», и применение 100% SiC-транзисторов дает ощутимые преимущества на системном уровне. Однако это утверждение никак нельзя отнести к диапазону средних и высоких мощностей, где замена кремниевых ключей на карбидокремниевые, как правило, не оправдана технически, но резко увеличивает цену изделия. Стоимость SiC-кристаллов с увеличением их размера растет экспоненциально, таким образом, их применение целесообразно только в тех приложениях, где переход на более высокую частоту коммутации позволяет снизить стоимость за счет уменьшения размеров фильтров и упрощения системы охлаждения. Типичными примерами устройств, где SiC-технология приобретает все большую популярность, являются инверторы солнечных батарей и источники питания (UPS). И даже в этих изделиях следует стремиться к использованию SiC-чипов минимально возможных размеров, а для наращивания мощности использовать их параллельное соединение.