باعتبارها مادة شبه موصلة من الجيل الثالث، تتمتع مادة كربيد السيليكون (SiC) بأداء فائق مقارنةً بالمواد القائمة على السيليكون (Si) من جميع النواحي. وبالمقارنة مع أجهزة الطاقة التقليدية القائمة على مواد أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون، تتميز أجهزة الطاقة الناشئة المصنوعة من كربيد السيليكون بسرعة تبديل عالية، وجهد حجب مرتفع، وقدرة تشغيل قوية في درجات حرارة عالية، مما يجعلها قادرة على تلبية متطلبات تطوير تكنولوجيا إلكترونيات الطاقة المستقبلية بشكل أفضل.
بعد ثلاث سنوات من البحث والتطوير المعمق والعمل الدؤوب، أصبحت شركة شنغهاي زانشين للإلكترونيات أول شركة في الصين تتقن عمليات تصنيع ترانزستورات MOSFET وSBD من كربيد السيليكون بحجم 6 بوصات، بالإضافة إلى رقائق تشغيل ترانزستورات MOSFET من كربيد السيليكون. تشرح هذه المقالة موثوقية وتطبيقات أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون من شركة زانشين للإلكترونيات، مما يمنح المستخدمين راحة البال قبل الاستخدام وطمأنينة أثناءه، وبالتالي إنتاج منتجات أفضل.  
  1. هل لدى شركة Shanghai Zhanxin Electronics بيانات عن حدود إجهاد الجهد الموجب والسالب لترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون؟  
تخضع مواصفات جهد بوابة MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون (SiC) من شركة Zhanxin Electronics (+20 فولت / -5 فولت) لشهادة صارمة وفقًا لمعايير JEDEC، مما يضمن عمرًا تشغيليًا لا يقل عن 10 سنوات في درجة حرارة الغرفة. أما بالنسبة للتطبيقات التي تتجاوز مواصفات جهد البوابة، فهناك اعتباران رئيسيان.  
أولًا، يُحدد نموذج عمر البوابة بشكل أساسي بواسطة نموذج انهيار العازل المعتمد على الزمن (TDDB) لثاني أكسيد السيليكون (SiO2). تتوفر بالفعل بيانات كثيرة تُظهر أن جودة طبقة عازل SiO2 المُنمّاة على كربيد السيليكون (SiC) تُضاهي جودة طبقة SiO2 المُنمّاة على السيليكون (Si). لذا، من منظور TDDB، فإن الجهد العالي الذي يتحمله عازل البوابة عند 20 فولت، ونموذج عمره عند هذا الجهد، يُشابهان نموذجي عمر السيليكون. وينطبق الأمر نفسه على ترانزستور MOSFET وترانزستور IGBT؛ حيث تستخدم شركة Zhanxin Electronics ترانزستور MOSFET من كربيد السيليكون (SiC) الخاص بها لتطوير عملية عازل بوابة SiO2 ونموذج عمر الجهاز.  
ثانيًا، يتمثل الاختلاف الأكبر والتحدي الأبرز بين منتجات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) ومنتجات MOS المصنوعة من السيليكون (Si MOS) (MOSFET وIGBT) في عدم استقرار درجة الحرارة عند الانحياز الموجب (PBTI) وعدم استقرار درجة الحرارة عند الانحياز السالب (NBTI). يزداد جهد العتبة (Vth) للجهاز عند تطبيق انحياز موجب، وينخفض ​​عند تطبيق انحياز سالب. وبموجب شروط شهادة JEDEC، يمكن ضمان عمر الجهاز من خلال التشغيل ضمن نطاق جهد البوابة المحدد. أما بالنسبة لنماذج عمر التطبيقات التي تتجاوز هذا النطاق، فتقوم شركة Zhanxin Electronics حاليًا ببناء المعدات وإجراء تخطيط وبحث مفصلين. وبشكل عام، طالما أن جهد البوابة الموجب لا يتجاوز 25 فولتًا وجهد البوابة السالب لا يقل عن -10 فولتات، فإن النبضات الصغيرة نسبيًا لدورة التشغيل لن تُسبب ضررًا لا يُمكن إصلاحه لأداء الجهاز. وسيتم تقديم العلاقة الكمية المحددة ونموذج العمر في نهاية الجولة الأولى من البحث.  
  2. كيف تحل شركة شنغهاي زانشين للإلكترونيات مشكلة إنشاء جهد قيادة سالب في تطبيقات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون؟ هل هذا النهج موثوق؟  
طورت شركة Zhanxin Electronics أول مُشغّل في الصناعة بقدرة 35 فولت/4 أمبير، وهو IVCR1401D/IVCR1401DP، في حزمة ذات 8 أطراف مع مُشغّل جهد سالب مُدمج. عند بدء تشغيل المُشغّل، يتم توصيل خرج NEG بالأرضي (GND)، ويقوم مصدر التيار الداخلي بشحن مُكثّف الجهد السالب بسرعة. بعد استقرار الجهد السالب، يتم تحرير طرف NEG، ويقوم مُنظّم الجهد السالب الداخلي بضبط الجهد السالب إلى -3.5 فولت للتشغيل العادي. بعد ذلك، تتبدل إشارة مُشغّل البوابة NEG بين (VCC-3.5 فولت) و-3.5 فولت. يوضح الشكل أدناه عملية استقرار الجهد السالب لمُكثّف الجهد السالب. يستغرق شحن مُكثّف سعته 1 ميكروفاراد حوالي 28 ميكروثانية. يُنصح باستخدام مُكثّفات X7R بسعة تزيد عن 100 ضعف سعة Cg لتقليل التموج على مُكثّف الجهد السالب، لضمان استقرار الجهد السالب وثباته. وقد تم التحقق من دائرة نظام اختبار التقادم الخاص بشركتنا باستخدام هذه الشريحة. يمكنه تشغيل ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون في ظروف تشغيل 1000 فولت/20 أمبير/125 درجة مئوية. وبعد تشغيل متواصل لمدة 1000 ساعة، يظل يعمل بثبات وموثوقية.  
    1      3. كيف تحل شركة شنغهاي زانشين للإلكترونيات مشكلة ارتفاعات الجهد السالبة في تطبيقات ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون؟ ما هي آلية توليد ارتفاعات الجهد السالبة؟ وما هي طرق التعامل معها؟  
يتميز ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون (SiC) بسرعة تبديل أعلى من أجهزة الطاقة المصنوعة من السيليكون التقليدية. مع ذلك، تجعل هذه العملية العابرة السريعة أداء التبديل لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون أكثر حساسية للمعاملات الطفيلية للدائرة، وينعكس ذلك بشكل خاص على شكل موجة القيادة. يوضح الشكل أدناه ارتفاع الجهد الناتج عن تأثير ميلر. في تطبيق نصف الجسر لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون، يبقى الأنبوب السفلي مطفأً. عند إطفاء الأنبوب العلوي، يتولد معدل تغير جهد (dv/dt) أكبر. نتيجةً للحث الطفيلي في دائرة الطاقة ودائرة القيادة، يتولد تيار ميلر أكبر. يُحدث هذا التيار انخفاضًا في الجهد على مقاومة القيادة RG، مما يؤدي إلى ظهور ارتفاع سالب في شكل موجة VGS. وبالمثل، عند تشغيل الأنبوب العلوي، يتولد أيضًا معدل تغير جهد (dv/dt) أكبر. نتيجةً للحث الطفيلي الموجود في الدائرة، يتولد تيار ميلر أكبر. يُحدث هذا التيار انخفاضًا في الجهد على مقاومة القيادة RG، مما يؤدي إلى ظهور ارتفاع موجب في شكل موجة VGS.     2  
  لتقليل الارتفاع المفاجئ في الضغط السلبي للمحرك، هناك عدة اقتراحات:  
1) قم بتوصيل ترانزستور MOS متقابل (الطراز الموصى به: QS5K2TR) بالتوازي مع مقاومة القيادة RG لتقليل انخفاض الجهد الناتج عن تأثير ميلر على RG، وبالتالي تقليل جهد ذروة ميلر، كما هو موضح في الشكل أدناه Q1، Q2؛
  الشكل 3 2) ضع شريحة القيادة بالقرب من بوابة MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون قدر الإمكان لتقليل الحث الطفيلي في حلقة القيادة قدر الإمكان؛ 3) قلل مساحة حلقة الطاقة في التصميم، وقلل حث المصدر المشترك في حلقة الطاقة وحلقة القيادة؛ 4) عندما تسمح الظروف، استخدم MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون والمغلف بـ TO247-4، واستخدم قيادة كلفن قدر الإمكان لتقليل الحث الطفيلي الناتج عن دبابيس الجهاز.  
  4. كيف تحل شركة Shanghai Zhanxin Electronics مشكلة التذبذب التبديلي في تطبيقات SiC MOSFET؟  
إنّ أهمّ ما يُعنى بحلّ مشكلة تذبذب ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون هو حلّ مشكلة تذبذب دائرة القيادة أولاً، ومنع التذبذب الناتج عن تذبذب إشارة القيادة. ولحلّ مشكلة تذبذب حلقة القيادة، يجب وضع شريحة القيادة بالقرب من بوابة ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون قدر الإمكان لتقليل الحثّ الطفيلي والتذبذب إلى أدنى حدّ. يوجد أدناه صورتان. تُظهر الصورة العلوية شكل موجة الاختبار عندما تكون شريحة القيادة بعيدة عن ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون، بينما تُظهر الصورة السفلية شكل موجة الاختبار عندما تكون أقرب. يُمثّل الشكل الموجي الأزرق السماوي في الصورتين شكل موجة Vgs، بينما يُمثّل الشكل الموجي الأصفر شكل موجة Vds. في الصورة اليسرى، تصل ذروة ميلر إلى 19.2 فولت، بينما في الصورة اليمنى، تبلغ ذروة ميلر 4.6 فولت فقط. والسبب الرئيسي لهذا التحسّن الكبير هو قرب دائرة القيادة المتكاملة نسبيًا من ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون.  
    4  
سنشرح لاحقًا بعض النقاط المهمة المتعلقة بتصميم ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون (SiC). يساعد التصميم الجيد على تقليل التذبذب. أولًا، يجب أن تكون دائرة القيادة المتكاملة قريبة قدر الإمكان من ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون لضمان أن تكون مساحة دائرة القيادة صغيرة قدر الإمكان. ثانيًا، ينتج التذبذب عالي التردد عن التذبذب بين لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) والحث والسعة الطفيلية (خاصةً Coss) لترانزستور MOSFET. كما هو موضح في الشكل أدناه، يمثل الخط الأحمر المتقطع مساحة حلقة الطاقة، بينما يمثل الخط الأخضر المتقطع مساحة حلقة القيادة. كلما صغرت هاتان المساحتان، قلّ التذبذب عند تشغيل ترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون.  
    5   5. ما أوجه التشابه والاختلاف بين مشغل MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون ومشغل IGBT المصنوع من السيليكون؟ هل يمكن تشغيل MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون باستخدام طريقة لوحة مشغل IGBT القابلة للتوصيل؟  
لا يمكن استخدامه. نظرًا لاستخدام لوحة القيادة، فإن الحث الطفيلي لدائرة القيادة كبير نسبيًا، مما يتطلب مقاومة قيادة أكبر للتخميد، الأمر الذي يؤدي بدوره إلى إبطاء سرعة التبديل وزيادة الفقد. في حال عدم استخدام مقاومة قيادة أكبر للتخميد، سيؤدي شكل موجة Vgs إلى تذبذب كبير نسبيًا، مما سيؤدي بدوره إلى تذبذب Vds، وبالتالي زيادة فقد التبديل. إضافةً إلى ذلك، فإن الحث الطفيلي الكبير نسبيًا يزيد من معاوقة دائرة القيادة، ويضعف قدرتها على مقاومة تأثير ميلر، مما ينتج عنه إبطاء سرعة التبديل وزيادة الفقد.  
  6. ما الذي يجب أن ننتبه إليه عند توصيل ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون على التوازي؟  
لضمان تماثل دائرة تشغيل كل ترانزستور MOSFET من كربيد السيليكون ودائرة الطاقة الرئيسية قدر الإمكان، يجب أن تكون المسافة من خرج شريحة التشغيل إلى بوابة كل ترانزستور MOSFET متساوية. تتطلب ترانزستورات MOSFET مقاومة بوابة (Rg) منفصلة لزيادة التناسق. إذا اشتركت ترانزستورات MOSFET متوازية في مقاومة تشغيل واحدة، فسيتم تشغيل الترانزستور ذي أقل جهد عتبة أولاً، وسيتم تثبيت جهد البوابة-المصدر (Vgs) للترانزستورات الأخرى عند جهد العتبة، مما يؤدي إلى تشغيل الترانزستور ذي أقل جهد عتبة فقط، وعدم تشغيل أي ترانزستورات أخرى. وينطبق الأمر نفسه على عملية الإيقاف. يتم إيقاف تشغيل الترانزستور ذي أعلى جهد عتبة أولاً، ويتم تثبيت الجهد عند جهد العتبة حتى يكتمل إيقاف تشغيل الترانزستور. يتضح أن استخدام مقاومة تشغيل واحدة لتشغيل جميع ترانزستورات MOSFET سيؤدي إلى تدفق تيار غير منتظم ديناميكيًا بشكل كبير نسبيًا عند لحظات التبديل. لتحقيق هذا الغرض، يلزم ضبط مقاومة Rg منفصلة لكل ترانزستور MOSFET، بحيث يتم فصل جهد Vgs لكل ترانزستور MOSFET وتعزيز مشاركة التيار الديناميكية. وتتحقق خصائص مشاركة التيار الثابتة بشكل أساسي من خلال اتساق معلمات الترانزستور MOSFET نفسه. لذا، يجب اختيار ترانزستورات MOSFET ذات المعلمات المتسقة بعناية للتوصيل المتوازي المباشر.
 
    6  
  8. ما مدى تحسن الحث الطفيلي لترانزستور MOSFET المصنوع من كربيد السيليكون من النوع TO247-4 مقارنةً بالنوع TO247-3؟ هل هناك أي معايير محددة؟  
بحسب البيانات التي نشرتها شركة CREE، فإنّ فقد الطاقة أثناء التبديل في غلاف TO247-4 لا يتجاوز 30% من فقد الطاقة أثناء التبديل في غلاف TO247-3 (600 فولت/40 أمبير). يتضح جلياً تفوق مزايا غلاف TO247-4.  
    7  
يؤدي وجود محث المصدر المشترك الداخلي في غلاف TO247-3 إلى إبطاء سرعة تشغيل وإيقاف MOSFET، مما يزيد من فقد الطاقة أثناء التبديل. أما غلاف TO247-4، فيحتوي على سلك مصدر منفصل للتشغيل، مما يتجاوز محث المصدر المشترك الداخلي ويتجنب تأثيره على عملية التبديل، وبالتالي تحقيق هدف تقليل فقد الطاقة. لنبدأ بدراسة عملية التشغيل. في تجربة النبضة المزدوجة النموذجية، يتم ذلك بتشغيل وإيقاف الأنبوب العلوي. نركز بشكل أساسي على حلقة Vgs للأنبوب العلوي. عند تشغيل الأنبوب العلوي، يزداد تيار المصرف (Id) للترانزستور Q1، ثم يصبح الجهد الناتج عن المحث L_SL موجبًا تصاعديًا وسالبًا تنازليًا، ويكون له نفس قطبية جهد التشغيل الخارجي (جهد موجب)، مما يؤدي إلى انخفاض جهد Vgs على شريحة MOSFET الداخلية، وبالتالي إبطاء عملية تشغيل MOSFET.  
    8  
لننتقل الآن إلى عملية إيقاف تشغيل الأنبوب العلوي. ينطفئ الترانزستور Q1، مما يؤدي إلى انخفاض تيار التصريف Id. يكون الجهد الناتج عن L_SL سالبًا في الأعلى وموجبًا في الأسفل. هذا الجهد له قطبية معاكسة لجهد التشغيل الخارجي (جهد سالب أو جهد صفري)، مما يقلل من جهد Vgs على شريحة MOSFET الداخلية أثناء عملية الإيقاف. إذا كان الجهد على L_SL كبيرًا بما يكفي، فقد يتسبب في تغيير الجهد على شريحة MOSFET الداخلية من سالب إلى موجب، مما يؤدي إلى تشغيل خاطئ! لذا، سيؤدي L_SL إلى إبطاء عملية الإيقاف، وبالتالي زيادة فقد الطاقة أثناء الإيقاف.  
    9  
يستخدم الشكل أدناه غلاف TO247-4. ولأن هناك سلك مصدر كلفن منفصل، فإن الجهد المستحث على L_SL لا يؤثر على دائرة القيادة، مما يزيد من سرعة التبديل ويقلل من فاقد التبديل.  
   

الشكل 10

تنويه: هذه المقالة مُعاد نشرها من "INSEMI". وهي لا تُمثل سوى وجهة نظر الكاتب الشخصية، ولا تُعبر عن آراء شركة ساكو مايكرو أو قطاع الصناعة. يُقصد بإعادة نشرها ومشاركتها دعمًا لحماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم الكاتب عند إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.

رقم هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
س: 3518641314 مدير لي

ف ف: 332496225 مدير تشيو

العنوان: الغرفة 809، المبنى ج، مبنى زانتاو للتكنولوجيا، رقم 1079 شارع مينزي، منطقة لونغهوا الجديدة، شنتشن