Кевин Спир (Kevin Speer), Microchip Technology
В статье рассмотрены некоторые аспекты применения силовых ключей на базе карбида кремния. Особое внимание уделено эксплуатационным характеристикам.
После быстрого расширения ассортимента устройств на базе карбид-кремния (SiC) перед отраслью встала задача упрощения процесса разработки изделий конечными пользователями. Разработчикам систем питания требуются комплексные решения, которые не только помогают применять отдельные элементы в схемах, но и учитывают их взаимодействие. Другими словами, амбициозные поставщики SiC-устройств должны не только продемонстрировать прекрасные характеристики и надежность своей технологии карбид-кремниевых МОП-транзисторов, но и помогать в решении проблем разработчиков, предлагая рынку низкоиндуктивные корпуса, а также более сложные устройства — драйверы затвора, позволяющие добиться точной настройки параметров схем и обеспечивающие дополнительную защиту. Тщательное рассмотрение этих трех ключевых элементов, несомненно, упростит оценку и проектирование для тех, кто хочет извлечь выгоду из революционных схемотехнических решений, ставших возможными благодаря SiC-устройствам.
Надежные и стойкие SiC-транзисторы
Возможно, наиболее критическое звено в цепях питания — карбид-кремниевые МОП-транзисторы — должны показать надежность там, где раньше они проявляли уязвимость. Как и кремниевые МОП-транзисторы, они столкнулись с проблемой внешних дефектов, таких как примеси, центры рекомбинации (ловушки) и другие дефекты материала вблизи границы оксид-полупроводник, вызывающие нестабильную работу устройств и ускоряющие их деградацию. Устранение этих проблем требует, чтобы предназначенные для промышленности SiC-транзисторы демонстрировали стабильное пороговое напряжение, электрическую прочность оксидного слоя затвора, надежность диода и стойкость к лавинным пробоям. Каждая из этих характеристик должна быть проверена с помощью квалификационных испытаний, поскольку параметрическая стабильность и срок службы могут значительно варьироваться от одного поставщика к другому.
Для проверки стабильности порогового напряжения (Vth) SiC-транзистора обычно применяют положительное (p-HTGB) и отрицательное (p-HTGB) высокотемпературное смещение затвора к статистически значимому количеству устройств и затем сравнивают значения Vth этой выборки до и после. Например, испытания p- и n-HTGB были выполнены на наборах из шестидесяти четырех SiC-транзисторов напряжением 1200 В в течение 1000 часов. Среднее наблюдаемое изменение Vth составило +59,6 мВ после p-HTGB и −22,8 мВ после n-HTGB. При таком уровне стабильности разработчики имеют предсказуемое пороговое напряжение, с которым они смогут разрабатывать решения с отличной стабильностью параметров в течение долгого срока службы.
Электрическая прочность оксидных слоев затвора имеет решающее значение для всех применений, особенно тех, которые требуют длительного срока службы. Для определения электрической прочности оксидного слоя исследуемого SiC-транзистора были проведены измерения заряда до пробоя (QBD) на трех выборках SiC-транзисторов напряжением 1200 В. Все наблюдаемые отказы оказались внутренними, что свидетельствует о высоком уровне зрелости технологии. Наработка до отказа и средняя наработка до отказа были рассчитаны с использованием большей выборки, состоящей из 192 устройств. Для p-HTGB эти значения составили 20 и 5618 лет; для n-HTGB — 93 и 1233 года соответственно. Конечных пользователей должно обнадежить то, что эти результаты согласуются с отчетами о деградации подзатворного диэлектрика, полученными от нескольких поставщиков.
Явление биполярной деградации в p-n переходах SiC-устройств в значительной степени изучено. Если это произойдет в паразитном диоде SiC-транзистора, то будет наблюдаться увеличение как сопротивления в открытом состоянии, так и падение напряжения на диоде во время коммутации тока (проявляется в виде дрейфа характеристик в третьем квадранте). К счастью, технологии материалов SiC-транзисторов сегодня достигли достаточного совершенства, и количество дефектов кристаллов уменьшилось. Тем не менее, необходимо проводить оценку SiC-транзисторов каждого поставщика. Университет штата Огайо недавно сравнил деградацию паразитных диодов после 100 часов под нагрузкой при полном номинальном токе (VGS = −5 В) в 1200 вольтовых SiC-транзисторах нескольких поставщиков, выявив существенные различия в их рабочем состоянии. Отсутствие деградации продемонстрировали устройства только одного поставщика (С на рис. 1). Измерения характеристик в третьем квадранте показали наличие (или отсутствие для поставщика C) деградации диодов.
Рис. 1. Измерение характеристик в третьем квадранте показывают, что только SiC-транзистор от поставщика C не имел деградации паразитного диода. Источник: д-р Анант Агарвал (Anant Agarwal) и д-р Минсок Кан (Minseok Kang), Университет штата Огайо.
Еще одним важным параметром, который необходимо проверять, является лавинная стойкость, которая оценивается методом разблокированного индуктивного переключения (unclamped inductive switching — UIS). На МОП-транзистор подается импульс напряжения, когда он находится в закрытом состоянии, что заставляет весь ток лавинообразно течь на периферию кристалла, поскольку МОП-канал не открыт. Это отличается от испытания на стойкость при коротком замыкании, когда МОП-транзистор находится в открытом состоянии и ток более равномерно распределяется по всей активной области устройства. Чтобы точно имитировать реальные условия эксплуатации, SiC-транзисторы подвергаются повторяющимся импульсам UIS; параметрическая стабильность и целостность оксида сравниваются до и после 100 000 повторяющихся импульсов при двух третях номинального тока (согласно MIL-STD-750). VBR, Vth и VF паразитного диода не подвержены влиянию повторяющегося UIS, что указывает на превосходную лавинную стойкость.
Низкоиндуктивные теплоотводящие корпуса
Следующей инструментальной частью решений проблем SiC является оптимизированный теплоотводящий корпус. Эффективный многокристальный корпус должен позволить разработчикам использовать преимущества SiC, а не подавлять их.
При проектировании необходимо учитывать множество требований. Поскольку кристалл SiC-транзистора сравнительно мал, чтобы добиться низкого сопротивления в открытом состоянии необходимо подключить параллельно много транзисторов. Кроме того, параллельно подключенные кристаллы МОП-транзисторов должны переключаться за одинаковое время и с равномерным распределением тока, что означает обеспечение как симметрии, так и низкой индуктивности схем соединения кристаллов.
Примером может служить модуль SP6LI компании Microchip, который вносит в силовой контур всего 2,9 нГн паразитной индуктивности, по сравнению с более чем 20 нГн паразитной индуктивности, типичной для обычных корпусов. Индуктивность силового контура снижается за счет размещения соединений в сборных шинах с полосковой линией. Соединения с подложкой распределены симметрично и максимально близко к полупроводниковому кристаллу. Что касается контура затвор-исток, то для каждого из двенадцати кристаллов используются независимые последовательные резисторы затвора, служащие для оптимизации синхронизации и распределения тока. Независимые резисторы затвора уменьшают паразитную индуктивность в контуре затвор-исток, защищая от одновременного включения двух плеч моста и минимизируя потери при переключении.
Умная и гибкая технология драйвера затвора
Третий важный элемент, который необходимо учитывать при создании системы SiC, — это управление. Опять же, электромагнитные помехи и скачки напряжения переходных процессов, обусловленные возможностью быстрого переключения SiC-транзисторов подвергают неоптимизированные системы риску сбоя. Требуется новый класс технологий изготовления драйвера затвора, позволяющих разработчику управлять динамикой переключения и достигать оптимальных компромиссов. Кроме того, драйвер затвора должен быстро реагировать на повышения напряжения, поскольку SiC-транзисторы могут выдерживать перенапряжения меньшее время по сравнению с большинством кремниевых биполярных транзисторов с изолированным затвором.
Благодаря запатентованной технологии, называемой дополнительной коммутацией (Augmented Switching), новейшие решения для цифровых драйверов затвора позволяют делать паузу на заданном пользователем промежуточном значении VGS в течение требуемого времени, это позволяет разрядить емкость затвор-сток, вызывающую эффект Миллера, прежде чем окончательно подать напряжение VGS (см. рис. 2). Это контрастирует с традиционными подходами, которые переключают VGS напрямую с уровня открытого состояния на уровень закрытого состояния, не предлагая проектировщику никакого пути спасения от других, менее предотвратимых ловушек, таких как паразитная индуктивность кабеля, используемого для подключения нагрузки. Однако, можно найти компромисс между превышением напряжения и эффективностью благодаря небольшим изменениям в профиле дополнительной коммутации (уровни VGS и время выдержки).
Рис. 2. Цифровые драйверы затвора, использующие дополнительную коммутацию, решают простую и понятную задачу определения оптимальных расчетных точек и количественной оценки их ценности для заинтересованных сторон.
На рис. 3 показаны сигналы выключения с использованием двух расширенных профилей коммутации и модуля 1200 вольтового SiC-транзистора в корпусе D3 (106 x 62 x 31 мм). Можно заметить, что выбор более низкого промежуточного VGS уменьшает коммутационные потери там, где приоритетом является эффективность, в то время как использование более высокого уровня VGS гасит выбросы VDS и смягчает колебания всех трех форм сигналов. Прилагаемая программа помогает точно настраивать драйверы затвора на всех этапах разработки одним щелчком мыши, экономя многие часы, которые ушли бы на работу с паяльником.
Рис. 3. Временные зависимости характеристик модуля SiC-транзисторов, демонстрирующие влияния параметров дополнительной коммутации.
Цифровые драйверы затвора повышают интеллектуальность устройств. Например, их можно использовать для запуска совершенно другого профиля выключения в случае неисправности, улучшив таким образом безопасность системы. Наличие методов дополнительной коммутации в схеме защиты от короткого замыкания дает возможность уменьшения Rg, а также позволяет МОП-транзистору более мягко и более управляемо перейти в выключенное состояние с меньшей вероятностью возникновения лавинного процесса. Другими полезными функциями являются выполняемые в режиме реального времени функции диагностики, такие как контроль напряжения линии постоянного тока и температуры устройства.
По мере того как разработчики силовой электроники переходят от кремниевых биполярных транзисторов с изолированным затвором к карбид-кремниевым транзисторам, они все больше полагаются на поставщиков компонентов в вопросах обеспечения ключевыми элементами, необходимыми им для создания комплексных системных решений. Это включает в себя SiC-транзисторы с доказанной надежностью, мощные корпуса со сверхнизкой индуктивностью и новый класс интеллектуальных драйверов затвора, упрощающих проектирование. Каждый из этих элементов является необходимым условием для оптимизации процесса проектирования SiC-устройств, начиная с первоначальной оценки и заканчивая внедрением.
MCA828