כחומר מוליך למחצה מהדור השלישי, ל-SiC ביצועים עדיפים על חומרים מבוססי סיליקון בכל ההיבטים. בהשוואה להתקני כוח מסורתיים המבוססים על חומרי מוליכים למחצה סיליקון, להתקני כוח SiC מתפתחים יש יתרונות של מהירות מיתוג מהירה, מתח חסימה גבוה ויכולת עבודה חזקה בטמפרטורה גבוהה, והם יכולים לעמוד טוב יותר בדרישות הפיתוח של טכנולוגיית אלקטרוניקת הספק עתידית.
Shanghai Zhanxin Electronics לאחר שלוש שנים של מחקר ופיתוח מעמיקים ועבודה קשה, היא הפכה לחברה הראשונה בסין ששלטה בתהליכי MOSFET ו-SBD של SiC בגודל 6 אינץ', כמו גם בשבבי דרייבר MOSFET של SiC. מאמר זה מסביר את האמינות והיישום של התקני ההספק של SiC של Zhanxin Electronics, כך שמשתמשים יכולים להיות שקטים לפני השימוש ולדאוג במהלך השימוש, ובכך לייצר מוצרים טובים יותר.  
  1. האם ל-SiC MOSFET של Shanghai Zhanxin Electronics יש נתונים על גבולות מאמץ המתח החיובי והשלילי?  
מפרט מתח השער של רכיבי SiC MOSFET (+20V/-5V) של Zhanxin Electronics מאושר בקפדנות בהתאם לתקן JEDEC, מה שמבטיח שאורך החיים של המוצר לא יפחת מ-10 שנים בטמפרטורת החדר. עבור יישומים החורגים ממפרט מתח השער, ישנם שני שיקולים עיקריים.  
ראשית, מודל אורך החיים של השער עצמו נקבע בעיקר על ידי מודל TDDB (זמן התפרקות דיאלקטרית תלוית זמן) של SiO2. כבר קיים כמות גדולה של נתונים המראים שאיכות השכבה הדיאלקטרית SiO2 הגדלה על SiC טובה כמו ה-SiO2 הגדל על Si. לכן, מנקודת מבט של TDDB, המתח הגבוה יותר שהדיאלקטרי של השער 20V יכול לעמוד בו ומודל אורך החיים במתח זה דומים לאלה של Si. MOSFET ו- IGBT זהים; Zhanxin Electronics משתמשת ב- MOSFET SiC של Zhanxin עצמה כדי לקבוע את תהליך הדיאלקטרי של שער SiO2 ואת מודל אורך החיים של המכשיר.  
שנית, ההבדל והאתגר הגדול ביותר בין מוצרי SiC MOSFET למוצרי Si MOS (MOSFET ו-IGBT) הוא חוסר יציבות PBTI (חוסר יציבות טמפרטורת הטיה חיובית) ו-NBTI (חוסר יציבות טמפרטורת הטיה שלילית) (חוסר יציבות טמפרטורת הטיה שלילית). ה-V של המכשיר יגדל לאחר הוספת הטיה חיובית, וה-V של המכשיר יקטן לאחר הוספת הטיה שלילית; בתנאי הסמכת JEDEC, ניתן להבטיח את חיי המכשיר על ידי פעולה במסגרת מפרט מתח השער; עבור דגמי חיי יישומים החורגים ממפרט מתח השער, Zhanxin Electronics בונה ציוד ומבצעת תכנון ומחקר מפורטים; באופן כללי, כל עוד מתח השער החיובי אינו עולה על 25V ומתח השער השלילי אינו יורד מתחת ל-10V-, הפולסים הקטנים יחסית של DutyCycle לא יגרמו נזק בלתי הפיך לביצועי המכשיר. הקשר הכמותי הספציפי ומודל אורך החיים יינתנו בסוף סבב המחקר הראשון.  
  2. כיצד Shanghai Zhanxin Electronics פותרת את בעיית יצירת מתח הנעה שלילי ביישומי SiC MOSFET? האם גישה זו אמינה?  
חברת Zhanxin Electronics פיתחה את דרייבר ה-IVCR1401D/IVCR1401DP הראשון בתעשייה בהספק של 35V/4A במארז בן 8 פינים עם דרייבר משולב של מתח שלילי. לאחר הפעלת הדרייבר, יציאת ה-NEG נמשכת ל-GND, ומקור הזרם הפנימי טוען במהירות את קבל המתח השלילי. לאחר יצירת המתח השלילי, פין ה-NEG משתחרר, ווסת המתח השלילי הפנימי יכול להתאים את המתח השלילי ל-3.5V- לפעולה רגילה. לאחר מכן, אות דרייב השער NEG עובר בין (VCC-3.5V) ל-3.5-. האיור שלהלן מציג את תהליך יצירת המתח השלילי של קבל המתח השלילי. טעינת קבל של 1uF אורכת כ-28us. יש להשתמש בקבלי X7R בעלי קיבול גדול מפי 100 מ-Cg כדי להפחית את הרטט על קבל המתח השלילי, כך שניתן יהיה ליצור ולהניע את המתח השלילי בצורה אמינה ויציבה. מעגל מערכת בדיקת ההזדקנות של חברתנו אומת באמצעות שבב זה. הוא יכול להניע רכיב MOSFET SiC בתנאי הפעלה של 1000V/20A/125℃. לאחר פעולה רציפה של 1000 שעות, עדיין ניתן להניע אותו ביציבות ובאמינות.  
    איור 1      3. כיצד Shanghai Zhanxin Electronics פותרת את בעיית קפיצות המתח השליליות ביישומי MOSFET של SiC? מהו המנגנון של יצירת קפיצות לחץ שליליות? מהן הדרכים להתמודד עם זה?  
ל-SiC MOSFET מהירות מיתוג מהירה יותר בהשוואה להתקני הספק Si מסורתיים. עם זאת, תהליך חולף מהיר זה יהפוך את ביצועי המיתוג של SiC MOSFET לרגישים יותר לפרמטרים הטפיליים של הלולאה, במיוחד אלה המשתקפים בצורת הגל של ההינע. האיור שלהלן מציג את עלייה במתח הנוצרת על ידי אפקט מילר. ב-SiC. ביישום חצי-גשר של MOSFET, הצינור התחתון נשאר כבוי. כאשר הצינור העליון כבוי, ייווצר dv/dt גדול יותר. עקב ההשראות הטפילית בלולאת ההספק ובלולאת ההינע, ייווצר זרם מילר גדול יותר. זרם זה ייצור ירידת מתח על נגד ההינע RG, וכתוצאה מכך יופיע עלייה שלילית על צורת הגל; באופן דומה, כאשר הצינור העליון מופעל, ייווצר גם dv/dt גדול יותר. עקב ההשראות הטפילית הקיימת בלולאה, ייווצר גם זרם מילר גדול יותר. זרם זה ייצור ירידת מתח על נגד ההינע RG, וכתוצאה מכך יופיע עלייה חיובית על צורת הגל VGS.     איור 2  
  על מנת להפחית את עלייה חדה בלחץ השלילי של ההינע, ישנן מספר הצעות:  
1) חברו MOS גב אל גב (דגם מומלץ: QS5K2TR) במקביל לנגד המניע RG כדי להפחית את ירידת המתח הנגרמת על ידי אפקט מילר על RG, ובכך להפחית את מתח שיא מילר, כפי שמוצג באיור למטה Q1, Q2;
  איור 3 2) מקמו את שבב הדרייבר קרוב ככל האפשר לשער של ה-MOSFET SiC כדי להפחית את ההשראות הטפילית בלולאת ההינע ככל האפשר; 3) צמצמו את שטח לולאת ההספק בפריסה, וצמצמו את ההשראות של המקור המשותף בלולאת ההספק ובלולאת ההינע; 4) כאשר התנאים מאפשרים זאת, השתמשו ב-MOSFET SiC ארוז ב-TO247-4, והשתמשו בהינע קלווין ככל האפשר כדי להפחית את ההשראות הטפילית הנגרמת על ידי פיני המכשיר.  
  4. כיצד Shanghai Zhanxin Electronics פותרת את בעיית תנודות המיתוג ביישומי SiC MOSFET?  
הדבר הקריטי ביותר בבעיית התנודה של רכיבי MOSFET SiC הוא ראשית לפתור את בעיית התנודה של מעגל ההינע ולמנוע תנודה הנגרמת כתוצאה מתנודת אות ההינע. על מנת לפתור את בעיית תנודת לולאת ההינע, יש למקם את שבב ההינע קרוב ככל האפשר לשער של רכיב ה-MOSFET SiC כדי להפחית את ההשראות והתנודות הטפיליות ככל האפשר. ישנן שתי תמונות למטה. התמונה העליונה מציגה את צורת הגל של הבדיקה כאשר שבב ההינע רחוק מה-SiCMOSFET, והתמונה התחתונה מציגה את צורת הגל של הבדיקה כאשר הוא קרוב יותר. צורת הגל הכחולה-שמיים בשתי האיורים היא צורת הגל Vgs, והצהוב הוא צורת הגל Vds. בתמונה השמאלית, שיא מילר גבוה עד 19.2V, בעוד שבתמונה הימנית, שיא מילר הוא רק 4.6V. הסיבה העיקרית לשיפור כה גדול היא שמעגל ההינע המעגלי קרוב יחסית ל-MOSFET SiC.  
    איור 4  
לאחר מכן, נסביר כמה נקודות שכדאי לשים לב אליהן בנוגע למבנה ה-SiC MOSFET. מבנה טוב יסייע בהפחתת תנודות. ראשית, מעגל המעגל המשולב של הדרייבר צריך להיות קרוב ככל האפשר ל-SiC MOSFET כדי להבטיח ששטח מעגל הדרייבר יהיה קטן ככל האפשר. שנית, תנודות בתדר גבוה נגרמות כתוצאה מהתנודה בין ה-PCB לבין ההשראות והקיבול התועים (בעיקר Coss) של ה-MOSFET. כפי שמוצג באיור למטה, הקו המקווקו האדום הוא שטח לולאת ההספק, והקו המקווקו הירוק הוא שטח לולאת ההינע. ככל ששטחים אלה קטנים יותר, כך התנודה קטנה יותר כאשר ה-SiC MOSFET מתחלף.  
    איור 5   5. מהם הדמיון והשוני בין דרייבר SiC MOSFET לדרייבר Si IGBT? האם ניתן להניע SiC MOSFET באמצעות שיטת לוח דרייבר חיבור IGBT?  
לא ניתן להשתמש. מכיוון שנעשה שימוש בלוח ההינע, ההשראות הטפילית של מעגל ההינע גדולה יחסית, מה שדורש נגד הנעה גדול יותר לצורך ריכוך, מה שגורם להאטת מהירות המיתוג ולהגדלת ההפסדים. אם לא נעשה שימוש בנגד הנעה גדול יותר לצורך ריכוך, צורת הגל Vgs תגרום לתנודה גדולה יחסית, מה שיוביל לתנודת Vds, ובכך יגדיל את הפסדי המיתוג. בנוסף, ההשראות הטפילית הגדולה יחסית עצמה מגדילה את העכבה של מעגל ההינע, ויכולת האנטי-מילר של מעגל ההינע נחלשת, וכתוצאה מכך מהירות מיתוג איטית יותר והפסד מוגבר.  
  6. למה עלינו לשים לב בעת חיבור טרנזיסטורי MOSFET של SiC במקביל?  
כדי להבטיח שמעגל ההנעה של כל MOSFET SiC ומעגל ההספק הראשי יהיו סימטריים ככל האפשר, יש צורך שהמרחק מפלט שבב ההנעה לשער של כל MOSFET SiC יהיה זהה. טרנזיסטורי MOSFET דורשים נגד הנעה נפרד כדי להגביר את העקביות. אם טרנזיסטורי MOSFET מקבילים חולקים נגד הנעה, ה-MOSFET עם מתח הסף הנמוך ביותר יופעל ראשון, ומתח ה-Vgs של טרנזיסטורי MOSFET אחרים יופעל במתח הסף, וכתוצאה מכך רק ה-MOSFET עם מתח הסף הנמוך ביותר יופעל, וכל שאר הטרנזיסטורים לא יופעלו. אותו הדבר נכון גם לגבי תהליך הכיבוי. ה-MOSFET עם מתח הסף הגבוה ביותר כבוי ראשון, והמתח נהוג במתח הסף עד שה-MOSFET משלים את תהליך הכיבוי. ניתן לראות כי שימוש בנגד הנעה אחד להנעת כל טרנזיסטורי MOSFET יגרום לזרימת זרם דינמית גדולה יחסית ולא אחידה ברגעי המיתוג. למטרה זו, יש להגדיר Rg נפרד עבור כל MOSFET, כך שה-Vgs של כל MOSFET ינותק ושיתוף הזרם הדינמי ישתפר. מאפייני שיתוף הזרם הסטטי מושגים בעיקר על ידי עקביות הפרמטרים של ה-MOSFET עצמו. יש לבחור בקפידה MOSFETs עם פרמטרים עקביים לחיבור מקבילי ישיר.
 
    איור 6  
  8. בכמה טובה יותר ההשראות הפרזיטית של רכיב MOSFET SiC TO247-4 בהשוואה ל-TO247-3? האם ישנם פרמטרים ספציפיים?  
על פי נתונים שפורסמו על ידי CREE, הפסדי המיתוג של מארז TO247-4 הם רק 30% מהפסדי המיתוג של מארז TO247-3 (600V/40A). ניתן לראות כי היתרונות של מארז TO247-4 ברורים מאוד.  
    איור 7  
משרן המקור המשותף הפנימי בתוך מארז TO247-3 יאט את מהירות ההפעלה והכיבוי של ה-MOSFET, ובכך יגדיל את אובדן המיתוג. עם זאת, ל-TO247-4 יש מוליך מקור נפרד להנעה, ובכך עוקף את משרן המקור המשותף הפנימי ונמנע מהשפעת משרן המקור המשותף הפנימי על תהליך המיתוג, ובכך משיג את המטרה של הפחתת הפסדי המיתוג. ראשית, בואו נבחן את תהליך ההפעלה. בניסוי דו-פעמי טיפוסי, הוא מושג על ידי הפעלה וכיבוי של הצינור העליון. אנו מתמקדים בעיקר בלולאת Vgs של הצינור העליון. כאשר הצינור העליון מופעל, ה-Id של Q1 עולה, ואז המתח המושרה על ידי L_SL הוא חיובי למעלה ושלילי למטה, ולמתח שלו יש את אותה קוטביות כמו מתח ההנעה החיצוני (מתח חיובי), מה שגורם למתח Vgs על שבב ה-MOSFET הפנימי לרדת, ובכך מאט את תהליך ההפעלה של ה-MOSFET.  
    איור 8  
בשלב הבא, בואו נבחן את תהליך הכיבוי של הצינור העליון. Q1 נכבה, מה שגורם לירידה ב-Id. המתח המושרה על ידי L_SL הוא שלילי בחלק העליון וחיובי בחלק התחתון. למתח זה יש קוטביות הפוכה למתח ההינע החיצוני (מתח שלילי או מתח אפס), מה שיפחית את מתח ה-Vgs על שבב ה-MOSFET הפנימי בפועל במהלך תהליך הכיבוי. אם המתח על L_SL גדול מספיק, הוא אף יכול לגרום למתח על שבב ה-MOSFET הפנימי להשתנות משלילי לחיובי, מה שמוביל להפעלה שגויה! לכן L_SL יגרום להאטת תהליך הכיבוי, ובכך יגדיל את אובדן הכיבוי.  
    איור 9  
האיור שלהלן משתמש במארז TO247-4. מכיוון שיש מוליך קלווין-מקור נפרד, המתח המושרה על L_SL אינו יכול להשפיע על מעגל ההינע, ובכך להגדיל את מהירות המיתוג ולהפחית את הפסדי המיתוג.  
   

איור 10

הצהרת אחריות: מאמר זה נכתב מתוך "INSEMI". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר ואינו מייצג את דעותיה של Sacco Micro והתעשייה. הוא מיועד להדפסה חוזרת ושיתוף בלבד לתמיכה בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור המקורי ואת המחבר לצורך הדפסה חוזרת. במקרה של הפרה כלשהי, אנא צרו עמנו קשר כדי למחוק אותה.

מספר טלפון של החברה: 86-0755-83044319+
פקס/פקס: 86-0755-83975897+
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי

QQ: 332496225 מנהל Qiu

כתובת: חדר 809, בניין C, בניין הטכנולוגיה ז'אנטאו, שדרת מינגז'י מס' 1079, רובע לונגהואה החדש, שנזן