Sebagai material semikonduktor generasi ketiga, SiC memiliki kinerja yang lebih unggul dibandingkan material berbasis Si dalam segala aspek. Dibandingkan dengan perangkat daya tradisional berbasis material semikonduktor Si, perangkat daya SiC yang sedang berkembang memiliki keunggulan kecepatan switching yang cepat, tegangan blokir yang tinggi, dan kemampuan kerja suhu tinggi yang kuat, serta dapat lebih memenuhi persyaratan pengembangan teknologi elektronika daya di masa depan.
Setelah tiga tahun melakukan riset dan pengembangan mendalam serta kerja keras, Shanghai Zhanxin Electronics telah menjadi perusahaan pertama di Tiongkok yang menguasai proses MOSFET SiC 6 inci dan SBD, serta chip driver MOSFET SiC. Artikel ini menjelaskan keandalan dan aplikasi perangkat daya SiC Zhanxin Electronics, sehingga pengguna dapat merasa tenang sebelum digunakan dan tidak perlu khawatir selama penggunaan, sehingga menghasilkan produk yang lebih baik.  
  1. Apakah MOSFET SiC dari Shanghai Zhanxin Electronics memiliki data mengenai batas tegangan positif dan negatif yang ditahan?  
Spesifikasi tegangan gerbang MOSFET SiC Zhanxin Electronics (+20V/-5V) telah disertifikasi secara ketat sesuai dengan JEDEC, memastikan bahwa masa kerja produk tidak kurang dari 10 tahun pada suhu ruangan. Untuk aplikasi yang melebihi spesifikasi tegangan gerbang, ada dua pertimbangan utama.  
Pertama, model masa pakai gerbang itu sendiri terutama ditentukan oleh model TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) dari SiO2. Sudah ada banyak data yang menunjukkan bahwa kualitas lapisan dielektrik SiO2 yang ditumbuhkan pada SiC sama baiknya dengan SiO2 yang ditumbuhkan pada Si. Oleh karena itu, dari perspektif TDDB, tegangan yang lebih tinggi yang dapat ditahan oleh dielektrik gerbang 20V dan model masa pakainya pada tegangan ini mirip dengan Si. MOSFET dan IGBT sama; Zhanxin Electronics menggunakan MOSFET SiC milik Zhanxin sendiri untuk membangun proses dielektrik gerbang SiO2 dan model masa pakai perangkat.  
Kedua, perbedaan dan tantangan terbesar antara SiC MOSFET dan produk Si MOS (MOSFET dan IGBT) adalah PBTI (Positive Bias Temperature Instability) dan NBTI (Negative Bias Temperature Instability), Vth perangkat akan meningkat setelah menambahkan bias positif, dan Vth perangkat akan menurun setelah menambahkan bias negatif; di bawah kondisi sertifikasi JEDEC, masa pakai perangkat dapat dijamin dengan beroperasi dalam spesifikasi tegangan gerbang; untuk model masa pakai aplikasi yang melebihi spesifikasi tegangan gerbang, Zhanxin Electronics sedang membangun peralatan dan melakukan perencanaan dan penelitian terperinci; secara umum, selama tegangan gerbang positif tidak melebihi 25V dan tegangan gerbang negatif tidak turun di bawah -10V, pulsa DutyCycle yang relatif kecil tidak akan menyebabkan kerusakan yang tidak dapat dipulihkan pada kinerja perangkat. Hubungan kuantitatif spesifik dan model masa pakai akan diberikan pada akhir putaran pertama penelitian.  
  2. Bagaimana Shanghai Zhanxin Electronics mengatasi masalah pembentukan tegangan penggerak negatif pada aplikasi SiC MOSFET? Apakah pendekatan ini dapat diandalkan?  
Zhanxin Electronics telah mengembangkan driver 35V/4A IVCR1401D/IVCR1401DP pertama di industri dalam paket 8-pin dengan penggerak tegangan negatif terintegrasi. Setelah driver dimulai, output NEG ditarik ke GND, dan sumber arus internal dengan cepat mengisi kapasitor tegangan negatif. Setelah tegangan negatif terbentuk, pin NEG dilepaskan, dan regulator tegangan negatif internal dapat menyesuaikan tegangan negatif ke -3.5V untuk operasi normal. Setelah itu, sinyal penggerak gerbang NEG beralih antara (VCC-3.5V) dan -3.5V. Gambar di bawah menunjukkan proses pembentukan tegangan negatif dari kapasitor tegangan negatif. Dibutuhkan sekitar 28us untuk mengisi kapasitor 1uF. Kapasitor X7R dengan kapasitansi lebih dari 100 kali Cg harus digunakan untuk mengurangi riak pada kapasitor tegangan negatif, sehingga tegangan negatif dapat terbentuk dan digerakkan secara andal dan stabil. Sirkuit sistem uji penuaan perusahaan kami telah diverifikasi menggunakan chip ini. Perangkat ini dapat menggerakkan MOSFET SiC pada kondisi operasi 1000V/20A/125℃. Setelah beroperasi terus menerus selama 1000 jam, perangkat ini masih dapat digerakkan secara stabil dan andal.  
    Gambar 1      3. Bagaimana Shanghai Zhanxin Electronics mengatasi masalah lonjakan tegangan negatif pada aplikasi SiC MOSFET? Apa mekanisme pembentukan lonjakan tekanan negatif? Apa saja cara untuk mengatasinya?  
MOSFET SiC memiliki kecepatan switching yang lebih cepat daripada perangkat daya Si tradisional. Namun, proses transien yang cepat ini akan membuat kinerja switching MOSFET SiC lebih sensitif terhadap parameter parasitik dari loop, terutama tercermin dalam bentuk gelombang penggerak. Gambar di bawah menunjukkan lonjakan tegangan yang dihasilkan oleh efek Miller. Dalam aplikasi half-bridge MOSFET SiC, tabung bawah tetap mati. Ketika tabung atas dimatikan, dv/dt yang lebih besar akan dihasilkan. Karena induktansi parasitik dalam loop daya dan loop penggerak, arus Miller yang lebih besar akan dihasilkan. Arus ini akan menghasilkan penurunan tegangan pada resistor penggerak RG, sehingga VGS mengalami lonjakan negatif; demikian pula, ketika tabung atas dihidupkan, dv/dt yang lebih besar juga akan dihasilkan. Karena induktansi parasitik yang ada dalam loop, arus Miller yang lebih besar juga akan dihasilkan. Arus ini akan menghasilkan penurunan tegangan pada resistor penggerak RG, sehingga VGS mengalami lonjakan positif.     Gambar 2  
  Untuk mengurangi lonjakan tekanan negatif pada penggerak, ada beberapa saran:  
1) Hubungkan MOS back-to-back (model yang direkomendasikan: QS5K2TR) secara paralel dengan resistor penggerak RG untuk mengurangi penurunan tegangan yang disebabkan oleh efek Miller pada RG, sehingga mengurangi tegangan puncak Miller, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah Q1, Q2;
  Gambar 3 2) Tempatkan chip driver sedekat mungkin dengan gerbang MOSFET SiC untuk mengurangi induktansi parasitik dalam loop penggerak semaksimal mungkin; 3) Minimalkan area loop daya dalam tata letak, dan minimalkan induktansi sumber umum dalam loop daya dan loop penggerak; 4) Bila kondisi memungkinkan, gunakan MOSFET SiC yang dikemas TO247-4, dan gunakan penggerak Kelvin semaksimal mungkin untuk mengurangi induktansi parasitik yang disebabkan oleh pin perangkat.  
  4. Bagaimana Shanghai Zhanxin Electronics memecahkan masalah osilasi switching dalam aplikasi SiC MOSFET?  
Hal terpenting mengenai masalah osilasi SiC MOSFET adalah pertama-tama menyelesaikan masalah osilasi rangkaian penggerak dan mencegah osilasi yang disebabkan oleh osilasi sinyal penggerak. Untuk mengatasi masalah osilasi loop penggerak, chip penggerak perlu ditempatkan sedekat mungkin dengan gerbang SiC MOSFET untuk mengurangi induktansi parasit dan osilasi semaksimal mungkin. Ada dua gambar di bawah ini. Gambar atas menunjukkan bentuk gelombang uji ketika chip penggerak jauh dari SiCMOSFET, dan gambar bawah menunjukkan bentuk gelombang uji ketika lebih dekat. Bentuk gelombang biru langit pada kedua gambar adalah bentuk gelombang Vgs, dan yang kuning adalah bentuk gelombang Vds. Pada gambar kiri, puncak Miller setinggi 19.2V, sedangkan pada gambar kanan, puncak Miller hanya 4.6V. Alasan utama peningkatan yang begitu besar adalah karena IC penggerak relatif dekat dengan SiC MOSFET.  
    Gambar 4  
Selanjutnya, kami akan menjelaskan beberapa poin penting mengenai tata letak MOSFET SiC. Tata letak yang baik akan membantu mengurangi osilasi. Pertama, IC driver harus sedekat mungkin dengan MOSFET SiC untuk memastikan area rangkaian driver sekecil mungkin. Kedua, osilasi frekuensi tinggi disebabkan oleh osilasi antara PCB dan induktansi liar serta kapasitansi liar (terutama Coss) dari MOSFET. Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, garis putus-putus merah adalah area loop daya, dan garis putus-putus hijau adalah area loop penggerak. Semakin kecil area ini, semakin kecil osilasi saat MOSFET SiC beralih.  
    Gambar 5   5. Apa persamaan dan perbedaan antara driver MOSFET SiC dan driver IGBT Si? Dapatkah MOSFET SiC dikendalikan menggunakan metode papan driver plug-in IGBT?  
Tidak dapat digunakan. Karena papan penggerak digunakan, induktansi parasitik dari rangkaian penggerak relatif besar, yang membutuhkan resistor penggerak yang lebih besar untuk peredaman, yang pada gilirannya menyebabkan kecepatan switching melambat dan kerugian meningkat. Jika resistor penggerak yang lebih besar tidak digunakan untuk peredaman, bentuk gelombang Vgs akan menyebabkan osilasi yang relatif besar, yang akan menyebabkan osilasi Vds, sehingga meningkatkan kerugian switching. Selain itu, induktansi parasitik yang relatif besar itu sendiri meningkatkan impedansi rangkaian penggerak, dan kemampuan anti-Miller dari rangkaian penggerak melemah, sehingga mengakibatkan kecepatan switching yang lebih lambat dan peningkatan kerugian.  
  6. Apa yang perlu kita perhatikan saat menghubungkan MOSFET SiC secara paralel?  
Untuk memastikan bahwa rangkaian penggerak setiap MOSFET SiC dan rangkaian daya utama sesimetris mungkin, jarak dari output chip penggerak ke gerbang setiap MOSFET SiC harus sama. MOSFET memerlukan Rg terpisah untuk meningkatkan konsistensi. Jika MOSFET paralel berbagi resistor penggerak, MOSFET dengan tegangan ambang terkecil akan dihidupkan terlebih dahulu, dan Vgs MOSFET lainnya akan dibatasi pada tegangan ambang, sehingga hanya MOSFET dengan tegangan ambang terkecil yang dihidupkan, dan semua tabung lainnya tidak dihidupkan. Hal yang sama berlaku untuk proses pematian. MOSFET dengan tegangan ambang tertinggi dimatikan terlebih dahulu, dan tegangan dibatasi pada tegangan ambang hingga MOSFET menyelesaikan proses pematian. Dapat dilihat bahwa penggunaan satu resistor penggerak untuk menggerakkan semua MOSFET akan menyebabkan aliran arus yang tidak merata secara dinamis yang relatif besar pada saat peralihan. Untuk tujuan ini, Rg terpisah perlu dikonfigurasi untuk setiap MOSFET, sehingga Vgs dari setiap MOSFET terpisah dan pembagian arus dinamis ditingkatkan. Karakteristik pembagian arus statis terutama dicapai melalui konsistensi parameter MOSFET itu sendiri. MOSFET dengan parameter yang konsisten perlu dipilih dengan cermat untuk koneksi paralel langsung.
 
    Gambar 6  
  8. Seberapa jauh lebih baik induktansi parasitik MOSFET SiC TO247-4 dibandingkan TO247-3? Apakah ada parameter spesifik tertentu?  
Menurut data yang diterbitkan oleh CREE, kerugian switching pada kemasan TO247-4 hanya 30% dari kerugian switching pada kemasan TO247-3 (600V/40A). Dapat dilihat bahwa keunggulan kemasan TO247-4 sangat jelas.  
    Gambar 7  
Induktor sumber umum internal di dalam paket TO247-3 akan memperlambat kecepatan pengaktifan dan penonaktifan MOSFET, sehingga meningkatkan kerugian switching. Namun, TO247-4 memiliki jalur sumber terpisah untuk penggerak, sehingga melewati induktor sumber umum internal dan menghindari dampak induktor sumber umum internal pada proses switching, sehingga mencapai tujuan mengurangi kerugian switching. Pertama, mari kita lihat proses pengaktifan. Dalam percobaan pulsa ganda tipikal, hal ini dicapai dengan mengaktifkan dan menonaktifkan tabung atas. Kita terutama berfokus pada loop Vgs tabung atas. Ketika tabung atas diaktifkan, Id dari Q1 meningkat, kemudian tegangan yang diinduksi oleh L_SL positif ke atas dan negatif ke bawah, dan tegangannya memiliki polaritas yang sama dengan tegangan penggerak eksternal (tegangan positif), yang menyebabkan tegangan Vgs pada MOSFET-Die internal menurun, sehingga memperlambat proses pengaktifan MOSFET.  
    Gambar 8  
Selanjutnya, mari kita lihat proses pemutusan tabung atas. Q1 mati, menyebabkan Id menurun. Tegangan yang diinduksi oleh L_SL negatif di bagian atas dan positif di bagian bawah. Tegangan ini memiliki polaritas yang berlawanan dengan tegangan penggerak eksternal (tegangan negatif atau tegangan nol), yang akan mengurangi tegangan Vgs pada MOSFET-Die internal sebenarnya selama proses pemutusan. Jika tegangan pada L_SL cukup besar, bahkan dapat menyebabkan tegangan pada MOSFET-Die internal berubah dari negatif menjadi positif, yang menyebabkan kesalahan pengaktifan! Jadi L_SL akan menyebabkan proses pemutusan melambat, sehingga meningkatkan kerugian pemutusan.  
    Gambar 9  
Gambar di bawah ini menggunakan kemasan TO247-4. Karena terdapat jalur Kelvin-Source terpisah, tegangan induksi pada L_SL tidak dapat memengaruhi rangkaian penggerak, sehingga meningkatkan kecepatan switching dan mengurangi kerugian switching.  
   

Gambar 10

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "INSEMI". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Artikel ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulis untuk pencetakan ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Nomor telepon perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/FAX: +86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manajer Li

QQ: 332496225 Manajer Qiu

Alamat: Ruang 809, Gedung C, Gedung Teknologi Zhantao, No. 1079 Jalan Minzhi, Distrik Baru Longhua, Shenzhen