به عنوان یک ماده نیمه‌هادی نسل سوم، SiC از همه نظر عملکرد بهتری نسبت به مواد مبتنی بر Si دارد. در مقایسه با دستگاه‌های قدرت سنتی مبتنی بر مواد نیمه‌هادی Si، دستگاه‌های قدرت SiC نوظهور از مزایای سرعت سوئیچینگ سریع، ولتاژ مسدودکننده بالا و قابلیت کار در دمای بالا برخوردارند و می‌توانند الزامات توسعه فناوری الکترونیک قدرت آینده را بهتر برآورده کنند.
شرکت الکترونیک شانگهای ژانکسین پس از سه سال تحقیق و توسعه عمیق و کار سخت، به اولین شرکت در چین تبدیل شده است که بر فرآیندهای MOSFET و SBD سی‌سی ۶ اینچی و همچنین تراشه‌های درایور MOSFET سی‌سی تسلط پیدا کرده است. این مقاله قابلیت اطمینان و کاربرد دستگاه‌های قدرت سی‌سی ژانکسین الکترونیک را توضیح می‌دهد، به طوری که کاربران می‌توانند قبل از استفاده مطمئن باشند و در حین استفاده نگران باشند و در نتیجه محصولات بهتری تولید کنند.  
  ۱. آیا ماسفت‌های SiC شرکت Shanghai Zhanxin Electronics داده‌هایی در مورد محدودیت‌های تنش ولتاژ مثبت و منفی دارند؟  
مشخصات ولتاژ گیت MOSFET SiC شرکت Zhanxin Electronics (+20V/-5V) کاملاً مطابق با JEDEC تأیید شده است و تضمین می‌کند که عمر کاری محصول در دمای اتاق کمتر از 10 سال نباشد. برای کاربردهایی که از مشخصات ولتاژ گیت فراتر می‌روند، دو ملاحظه اصلی وجود دارد.  
اول، مدل طول عمر خود گیت عمدتاً توسط مدل TDDB (شکست دی‌الکتریک وابسته به زمان) SiO2 تعیین می‌شود. در حال حاضر داده‌های زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد کیفیت لایه دی‌الکتریک SiO2 رشد یافته روی SiC به خوبی SiO2 رشد یافته روی Si است. بنابراین، از دیدگاه TDDB، ولتاژ بالاتری که دی‌الکتریک گیت 20 ولت می‌تواند تحمل کند و مدل طول عمر در این ولتاژ مشابه مدل Si است. MOSFET و IGBT یکسان هستند. Zhanxin Electronics از MOSFET SiC خود Zhanxin برای ایجاد فرآیند دی‌الکتریک گیت SiO2 و مدل طول عمر دستگاه استفاده می‌کند.  
دوم، بزرگترین تفاوت و چالش بین محصولات SiC MOSFET و Si MOS (MOSFET و IGBT) ناپایداری PBTI (ناپایداری دمای بایاس مثبت) و NBTI (ناپایداری دمای بایاس منفی) است، Vth دستگاه پس از اضافه کردن بایاس مثبت افزایش می‌یابد و Vth دستگاه پس از اضافه کردن بایاس منفی کاهش می‌یابد. تحت شرایط صدور گواهینامه JEDEC، عمر دستگاه را می‌توان با کار در محدوده مشخصات ولتاژ گیت تضمین کرد. برای مدل‌های عمر کاربردی که از مشخصات ولتاژ گیت فراتر می‌روند، Zhanxin Electronics در حال ساخت تجهیزات و انجام برنامه‌ریزی و تحقیقات دقیق است. به طور کلی، تا زمانی که ولتاژ گیت مثبت از 25 ولت تجاوز نکند و ولتاژ گیت منفی از -10 ولت کمتر نشود، پالس‌های نسبتاً کوچک DutyCycle آسیب جبران‌ناپذیری به عملکرد دستگاه وارد نمی‌کنند. رابطه کمی خاص و مدل عمر در پایان دور اول تحقیق ارائه خواهد شد.  
  ۲. شرکت الکترونیک شانگهای ژانکسین چگونه مشکل ایجاد ولتاژ محرک منفی در کاربردهای MOSFET سیلیکون کاربید را حل می‌کند؟ آیا این رویکرد قابل اعتماد است؟  
شرکت Zhanxin Electronics اولین درایور 35 ولت/4 آمپر صنعتی IVCR1401D/IVCR1401DP را در یک بسته 8 پین با درایو ولتاژ منفی یکپارچه توسعه داده است. پس از شروع به کار درایور، خروجی NEG به GND کشیده می‌شود و منبع جریان داخلی به سرعت خازن ولتاژ منفی را شارژ می‌کند. پس از برقراری ولتاژ منفی، پین NEG آزاد می‌شود و رگولاتور ولتاژ منفی داخلی می‌تواند ولتاژ منفی را برای عملکرد عادی به -3.5 ولت تنظیم کند. پس از آن، سیگنال درایو گیت NEG بین (VCC-3.5V) و -3.5 تغییر می‌کند. شکل زیر فرآیند ایجاد ولتاژ منفی خازن ولتاژ منفی را نشان می‌دهد. شارژ یک خازن 1uF حدود 28 میکروثانیه طول می‌کشد. خازن‌های X7R با ظرفیت بیش از 100 برابر Cg باید برای کاهش ریپل روی خازن ولتاژ منفی استفاده شوند تا ولتاژ منفی بتواند به طور قابل اعتماد و پایدار برقرار و راه اندازی شود. مدار سیستم تست پیری شرکت ما با استفاده از این تراشه تأیید شده است. این قطعه می‌تواند MOSFET های SiC را تحت شرایط عملیاتی 1000 ولت/20 آمپر/125 درجه سانتیگراد راه اندازی کند. پس از 1000 ساعت کار مداوم، همچنان می‌تواند به طور پایدار و قابل اعتماد راه اندازی شود.  
    شکل 1      ۳. شرکت الکترونیک شانگهای ژانکسین چگونه مشکل جهش ولتاژ منفی در کاربردهای ماسفت‌های SiC را حل می‌کند؟ مکانیسم تولید جهش فشار منفی چیست؟ راه‌های مقابله با آن چیست؟  
MOSFET های SiC سرعت سوئیچینگ بالاتری نسبت به قطعات قدرت Si سنتی دارند. با این حال، این فرآیند گذرای سریع، عملکرد سوئیچینگ MOSFET های SiC را نسبت به پارامترهای انگلی حلقه، به ویژه آنچه در شکل موج درایو منعکس می‌شود، حساس‌تر می‌کند. شکل زیر، جهش ولتاژ تولید شده توسط اثر میلر را نشان می‌دهد. در SiC در کاربرد نیم پل MOSFET، لوله پایینی خاموش می‌ماند. هنگامی که لوله بالایی خاموش می‌شود، dv/dt بزرگتری تولید می‌شود. به دلیل اندوکتانس انگلی در حلقه قدرت و حلقه درایو، جریان میلر بزرگتری تولید می‌شود. این جریان باعث افت ولتاژ روی مقاومت درایو RG می‌شود و در نتیجه VGS ایجاد می‌شود. یک جهش منفی روی شکل موج ظاهر می‌شود. به طور مشابه، هنگامی که لوله بالایی روشن می‌شود، dv/dt بزرگتری نیز تولید می‌شود. به دلیل اندوکتانس انگلی موجود در حلقه، جریان میلر بزرگتری نیز تولید می‌شود. این جریان باعث افت ولتاژ روی مقاومت درایو RG می‌شود و در نتیجه یک جهش مثبت روی شکل موج VGS ظاهر می‌شود.     شکل 2  
  برای کاهش افزایش فشار منفی درایو، چندین پیشنهاد وجود دارد:  
۱) یک MOS پشت به پشت (مدل پیشنهادی: QS5K2TR) را به موازات مقاومت راه‌انداز RG متصل کنید تا افت ولتاژ ناشی از اثر میلر روی RG کاهش یابد و در نتیجه ولتاژ پیک میلر کاهش یابد، همانطور که در شکل زیر Q1، Q2 نشان داده شده است؛
  شکل ۳ ۲) تراشه درایور را تا حد امکان نزدیک به گیت ماسفت SiC قرار دهید تا اندوکتانس انگلی در حلقه درایو تا حد امکان کاهش یابد؛ ۳) مساحت حلقه قدرت را در طرح به حداقل برسانید و اندوکتانس منبع مشترک را در حلقه قدرت و حلقه درایو به حداقل برسانید؛ ۴) در صورت امکان، از ماسفت SiC با بسته‌بندی TO247-4 استفاده کنید و تا حد امکان از درایو کلوین استفاده کنید تا اندوکتانس انگلی ناشی از پین‌های دستگاه کاهش یابد.  
  ۴. شرکت الکترونیک شانگهای ژانکسین چگونه مشکل نوسان سوئیچینگ در کاربردهای MOSFET های SiC را حل می‌کند؟  
مهم‌ترین نکته در مورد مشکل نوسان SiC MOSFET، حل اولیه مشکل نوسان مدار درایو و جلوگیری از نوسان ناشی از نوسان سیگنال درایو است. برای حل مشکل نوسان حلقه درایو، تراشه درایو باید تا حد امکان نزدیک به گیت SiC MOSFET قرار گیرد تا اندوکتانس انگلی و نوسان تا حد امکان کاهش یابد. دو تصویر در زیر وجود دارد. تصویر بالا شکل موج تست را زمانی که تراشه درایور از SiC MOSFET دور است نشان می‌دهد و تصویر پایین شکل موج تست را زمانی که نزدیک‌تر است نشان می‌دهد. شکل موج آبی آسمانی در دو شکل، شکل موج Vgs و شکل موج زرد، شکل موج Vds است. در تصویر سمت چپ، پیک میلر تا 19.2 ولت است، در حالی که در تصویر سمت راست، پیک میلر تنها 4.6 ولت است. دلیل اصلی چنین بهبود بزرگی این است که آی‌سی درایور نسبتاً نزدیک به SiC MOSFET است.  
    شکل 4  
در ادامه، نکاتی را که باید در مورد چیدمان SiC MOSFET توجه داشت، توضیح خواهیم داد. یک چیدمان خوب به کاهش نوسان کمک می‌کند. اولاً، آی‌سی درایور باید تا حد امکان به SiC MOSFET نزدیک باشد تا اطمینان حاصل شود که مساحت مدار درایور تا حد امکان کوچک است. ثانیاً، نوسان فرکانس بالا ناشی از نوسان بین PCB و اندوکتانس سرگردان و خازن سرگردان (عمدتاً Coss) MOSFET است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، خط نقطه‌چین قرمز مساحت حلقه قدرت و خط نقطه‌چین سبز مساحت حلقه درایو است. هرچه این نواحی کوچکتر باشند، نوسان هنگام سوئیچینگ SiC MOSFET کوچکتر است.  
    شکل 5   ۵. چه شباهت‌ها و تفاوت‌هایی بین درایور SiC MOSFET و درایور Si IGBT وجود دارد؟ آیا می‌توان SiC MOSFET را با استفاده از روش برد درایور پلاگین IGBT درایو کرد؟  
قابل استفاده نیست. از آنجا که از برد درایو استفاده می‌شود، اندوکتانس انگلی مدار درایو نسبتاً بزرگ است که به مقاومت درایو بزرگتری برای میرایی نیاز دارد که به نوبه خود باعث کاهش سرعت سوئیچینگ و افزایش تلفات می‌شود. اگر از مقاومت درایو بزرگتری برای میرایی استفاده نشود، شکل موج Vgs باعث نوسان نسبتاً بزرگی می‌شود که منجر به نوسان Vds می‌شود و در نتیجه تلفات سوئیچینگ را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، اندوکتانس انگلی نسبتاً بزرگ خود امپدانس مدار درایو را افزایش می‌دهد و قابلیت ضد میلر مدار درایو تضعیف می‌شود که منجر به سرعت سوئیچینگ کندتر و افزایش تلفات می‌شود.  
  ۶. هنگام اتصال موازی ماسفت‌های SiC به چه نکاتی باید توجه کنیم؟  
برای اطمینان از اینکه مدار درایو هر MOSFET SiC و مدار تغذیه اصلی تا حد امکان متقارن هستند، فاصله از خروجی تراشه درایور تا گیت هر MOSFET SiC باید یکسان باشد. MOSFETها برای افزایش سازگاری به یک Rg جداگانه نیاز دارند. اگر MOSFETهای موازی یک مقاومت درایو مشترک داشته باشند، MOSFET با کوچکترین ولتاژ آستانه ابتدا روشن می‌شود و Vgs سایر MOSFETها در ولتاژ آستانه محدود می‌شود، در نتیجه فقط MOSFET با کوچکترین ولتاژ آستانه روشن می‌شود و سایر لامپ‌ها روشن نمی‌شوند. همین امر در مورد فرآیند خاموش شدن نیز صادق است. MOSFET با بالاترین ولتاژ آستانه ابتدا خاموش می‌شود و ولتاژ در ولتاژ آستانه محدود می‌شود تا زمانی که MOSFET فرآیند خاموش شدن را کامل کند. می‌توان مشاهده کرد که استفاده از یک مقاومت درایو برای درایو کردن همه MOSFETها باعث ایجاد جریان دینامیکی ناهموار نسبتاً بزرگی در لحظات سوئیچینگ می‌شود. برای این منظور، باید برای هر MOSFET یک Rg جداگانه پیکربندی شود، به طوری که Vgs هر MOSFET جدا شده و اشتراک جریان پویا افزایش یابد. ویژگی‌های اشتراک جریان استاتیک عمدتاً توسط ثبات پارامتر خود MOSFET حاصل می‌شود. MOSFETهایی با پارامترهای ثابت برای اتصال موازی مستقیم باید با دقت انتخاب شوند.
 
    شکل 6  
  ۸. اندوکتانس انگلی SiC MOSFET TO247-4 چقدر بهتر از TO247-3 است؟ آیا پارامتر خاصی وجود دارد؟  
طبق داده‌های منتشر شده توسط CREE، تلفات سوئیچینگ پکیج TO247-4 تنها 30٪ تلفات سوئیچینگ پکیج TO247-3 (600 ولت/40 آمپر) است. می‌توان دید که مزایای پکیج TO247-4 بسیار آشکار است.  
    شکل 7  
سلف سورس مشترک داخلی درون بسته TO247-3 سرعت روشن و خاموش شدن MOSFET را کاهش می‌دهد و در نتیجه تلفات سوئیچینگ را افزایش می‌دهد. با این حال، TO247-4 یک سر سورس جداگانه برای راه اندازی دارد، در نتیجه سلف سورس مشترک داخلی را دور می‌زند و از تأثیر سلف سورس مشترک داخلی بر فرآیند سوئیچینگ جلوگیری می‌کند و در نتیجه به هدف کاهش تلفات سوئیچینگ دست می‌یابد. ابتدا، بیایید به فرآیند روشن شدن نگاهی بیندازیم. در یک آزمایش دو پالسی معمولی، این کار با روشن و خاموش کردن لوله بالایی انجام می‌شود. ما عمدتاً بر حلقه Vgs لوله بالایی تمرکز می‌کنیم. هنگامی که لوله بالایی روشن می‌شود، Id Q1 افزایش می‌یابد، سپس ولتاژ القا شده توسط L_SL مثبت به بالا و منفی به پایین است و ولتاژ آن قطبیت مشابهی با ولتاژ راه اندازی خارجی (ولتاژ مثبت) دارد که باعث کاهش ولتاژ Vgs روی MOSFET-Die داخلی می‌شود و در نتیجه فرآیند روشن شدن MOSFET را کند می‌کند.  
    شکل 8  
در مرحله بعد، بیایید به فرآیند خاموش شدن لوله بالایی نگاهی بیندازیم. Q1 خاموش می‌شود و باعث کاهش Id می‌شود. ولتاژ القا شده توسط L_SL در بالا منفی و در پایین مثبت است. این ولتاژ قطبیت مخالف ولتاژ درایو خارجی (ولتاژ منفی یا ولتاژ صفر) دارد که باعث کاهش ولتاژ Vgs در MOSFET-Die داخلی واقعی در طول فرآیند خاموش شدن می‌شود. اگر ولتاژ روی L_SL به اندازه کافی بزرگ باشد، حتی می‌تواند باعث شود ولتاژ روی MOSFET-Die داخلی از منفی به مثبت تغییر کند و منجر به روشن شدن اشتباه شود! بنابراین L_SL باعث کند شدن فرآیند خاموش شدن می‌شود و در نتیجه تلفات خاموش شدن را افزایش می‌دهد.  
    شکل 9  
شکل زیر از پکیج TO247-4 استفاده می‌کند. از آنجا که یک سر کلوین-سورس جداگانه وجود دارد، ولتاژ القایی روی L_SL نمی‌تواند بر مدار درایو تأثیر بگذارد، در نتیجه سرعت سوئیچینگ افزایش و تلفات سوئیچینگ کاهش می‌یابد.  
   

شکل 10

سلب مسئولیت: این مقاله از "INSEMI" کپی شده است. این مقاله فقط بیانگر دیدگاه‌های شخصی نویسنده است و بیانگر دیدگاه‌های ساکو میکرو و صنعت نیست. این مقاله فقط برای چاپ مجدد و به اشتراک گذاری جهت حمایت از حفاظت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً منبع اصلی و نویسنده را برای چاپ مجدد ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن