In quanto materiale semiconduttore di terza generazione, il SiC offre prestazioni superiori rispetto ai materiali a base di silicio sotto tutti gli aspetti. Rispetto ai tradizionali dispositivi di potenza basati su semiconduttori al silicio, i dispositivi di potenza in SiC di nuova generazione presentano i vantaggi di una velocità di commutazione elevata, un'alta tensione di blocco e una forte capacità di funzionamento ad alta temperatura, e possono soddisfare al meglio i requisiti di sviluppo della futura tecnologia dell'elettronica di potenza.
Shanghai Zhanxin Electronics - Dopo tre anni di approfondite ricerche e sviluppo e di intenso lavoro, è diventata la prima azienda in Cina a padroneggiare i processi di produzione di MOSFET SiC da 6 pollici e SBD, nonché i chip driver per MOSFET SiC. Questo articolo illustra l'affidabilità e le applicazioni dei dispositivi di potenza SiC di Zhanxin Electronics, in modo che gli utenti possano utilizzarli con la massima tranquillità prima dell'uso e senza preoccupazioni durante l'utilizzo, contribuendo così alla realizzazione di prodotti migliori.  
  1. I MOSFET SiC di Shanghai Zhanxin Electronics dispongono di dati sui limiti di stress da tensione positiva e negativa?  
La specifica di tensione di gate dei MOSFET SiC di Zhanxin Electronics (+20V/-5V) è rigorosamente certificata secondo gli standard JEDEC, garantendo una durata di funzionamento del prodotto di almeno 10 anni a temperatura ambiente. Per le applicazioni che superano la specifica di tensione di gate, è necessario tenere in considerazione due aspetti principali.  
Innanzitutto, il modello di durata del gate stesso è determinato principalmente dal modello TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) del SiO2. Esiste già una grande quantità di dati che dimostrano che la qualità dello strato dielettrico di SiO2 cresciuto su SiC è pari a quella del SiO2 cresciuto su Si. Pertanto, dal punto di vista del TDDB, la tensione più elevata che il dielettrico di gate da 20 V può sopportare e il modello di durata a questa tensione sono simili a quelli del Si. Lo stesso vale per MOSFET e IGBT; Zhanxin Electronics utilizza i propri MOSFET in SiC per definire il processo di deposizione del dielettrico di gate in SiO2 e il modello di durata del dispositivo.  
In secondo luogo, la differenza e la sfida più grande tra i MOSFET SiC e i prodotti Si MOS (MOSFET e IGBT) è l'instabilità PBTI (Positive Bias Temperature Instability) e NBTI (Negative Bias Temperature Instability). La Vth del dispositivo aumenta dopo l'applicazione di una polarizzazione positiva, mentre diminuisce dopo l'applicazione di una polarizzazione negativa. In base alle condizioni di certificazione JEDEC, la durata del dispositivo può essere garantita operando entro le specifiche di tensione di gate. Per i modelli di durata applicativa che superano le specifiche di tensione di gate, Zhanxin Electronics sta costruendo apparecchiature e conducendo una pianificazione e una ricerca dettagliate. In generale, finché la tensione di gate positiva non supera i 25 V e la tensione di gate negativa non scende al di sotto di -10 V, gli impulsi relativamente piccoli del Duty Cycle non causano danni irreversibili alle prestazioni del dispositivo. La relazione quantitativa specifica e il modello di durata saranno forniti al termine del primo ciclo di ricerca.  
  2. Come risolve Shanghai Zhanxin Electronics il problema di stabilire una tensione di pilotaggio negativa nelle applicazioni con MOSFET SiC? Questo approccio è affidabile?  
Zhanxin Electronics ha sviluppato il primo driver da 35 V/4 A del settore, IVCR1401D/IVCR1401DP, in un package a 8 pin con pilotaggio a tensione negativa integrato. Dopo l'avvio del driver, l'uscita NEG viene portata a GND e la sorgente di corrente interna carica rapidamente il condensatore di tensione negativa. Una volta stabilita la tensione negativa, il pin NEG viene rilasciato e il regolatore di tensione negativo interno può regolare la tensione negativa a -3.5 V per il normale funzionamento. Successivamente, il segnale di pilotaggio del gate NEG commuta tra (VCC-3.5 V) e -3.5 V. La figura seguente mostra il processo di stabilizzazione della tensione negativa del condensatore. Sono necessari circa 28 µs per caricare un condensatore da 1 µF. Per ridurre l'ondulazione sul condensatore di tensione negativa, in modo che la tensione negativa possa essere stabilizzata e pilotata in modo affidabile e stabile, è necessario utilizzare condensatori X7R con una capacità superiore a 100 volte Cg. Il circuito del sistema di test di invecchiamento della nostra azienda è stato verificato utilizzando questo chip. È in grado di pilotare MOSFET SiC in condizioni operative di 1000 V/20 A/125 °C. Dopo 1000 ore di funzionamento continuo, continua a funzionare in modo stabile e affidabile.  
    Figura 1      3. Come risolve Shanghai Zhanxin Electronics il problema dei picchi di tensione negativi nelle applicazioni con MOSFET SiC? Qual è il meccanismo di generazione dei picchi di tensione negativi? Quali sono i metodi per affrontarli?  
I MOSFET SiC hanno una velocità di commutazione più elevata rispetto ai tradizionali dispositivi di potenza al silicio. Tuttavia, questo rapido processo transitorio rende le prestazioni di commutazione dei MOSFET SiC più sensibili ai parametri parassiti del circuito, in particolare quelli che si riflettono nella forma d'onda di pilotaggio. La figura seguente mostra il picco di tensione prodotto dall'effetto Miller. Nell'applicazione a semiponte del MOSFET SiC, il transistor inferiore rimane spento. Quando il transistor superiore viene spento, si genera un dv/dt maggiore. A causa dell'induttanza parassita nel circuito di potenza e nel circuito di pilotaggio, si genera una corrente di Miller maggiore. Questa corrente genera una caduta di tensione sulla resistenza di pilotaggio RG, con conseguente comparsa di un picco negativo sulla forma d'onda VGS. Analogamente, quando il transistor superiore viene acceso, si genera anche in questo caso un dv/dt maggiore. A causa dell'induttanza parassita presente nel circuito, si genera anche in questo caso una corrente di Miller maggiore. Questa corrente genera una caduta di tensione sulla resistenza di pilotaggio RG, con conseguente comparsa di un picco positivo sulla forma d'onda VGS.     Figura 2  
  Per ridurre il picco di pressione negativa dell'unità, ecco alcuni suggerimenti:  
1) Collegare un MOS back-to-back (modello consigliato: QS5K2TR) in parallelo alla resistenza di pilotaggio RG per ridurre la caduta di tensione causata dall'effetto Miller su RG, riducendo così la tensione di picco di Miller, come mostrato nella figura seguente Q1, Q2;
  Figura 3 2) Posizionare il chip driver il più vicino possibile al gate del MOSFET SiC per ridurre al minimo l'induttanza parassita nel circuito di pilotaggio; 3) Ridurre al minimo l'area del circuito di alimentazione nel layout e ridurre al minimo l'induttanza di sorgente comune nel circuito di alimentazione e nel circuito di pilotaggio; 4) Quando le condizioni lo consentono, utilizzare MOSFET SiC in package TO247-4 e utilizzare il pilotaggio Kelvin il più possibile per ridurre l'induttanza parassita causata dai pin del dispositivo.  
  4. In che modo Shanghai Zhanxin Electronics risolve il problema dell'oscillazione di commutazione nelle applicazioni SiC MOSFET?  
L'aspetto più critico del problema di oscillazione del MOSFET SiC è innanzitutto risolvere il problema di oscillazione del circuito di pilotaggio e prevenire le oscillazioni causate dalle oscillazioni del segnale di pilotaggio. Per risolvere il problema di oscillazione del circuito di pilotaggio, il chip di pilotaggio deve essere posizionato il più vicino possibile al gate del MOSFET SiC per ridurre al minimo l'induttanza parassita e le oscillazioni. Di seguito sono riportate due immagini. L'immagine superiore mostra la forma d'onda di test quando il chip di pilotaggio è lontano dal MOSFET SiC, mentre l'immagine inferiore mostra la forma d'onda di test quando è più vicino. La forma d'onda azzurra in entrambe le figure è la forma d'onda Vgs, mentre quella gialla è la forma d'onda Vds. Nell'immagine a sinistra, il picco di Miller raggiunge i 19.2 V, mentre nell'immagine a destra è di soli 4.6 V. La ragione principale di questo notevole miglioramento è che il circuito integrato di pilotaggio è relativamente vicino al MOSFET SiC.  
    Figura 4  
Successivamente, spiegheremo alcuni punti importanti relativi al layout del MOSFET SiC. Un buon layout contribuisce a ridurre le oscillazioni. Innanzitutto, il circuito integrato di pilotaggio dovrebbe essere il più vicino possibile al MOSFET SiC per garantire che l'area del circuito di pilotaggio sia la più piccola possibile. In secondo luogo, le oscillazioni ad alta frequenza sono causate dalle oscillazioni tra il PCB e l'induttanza e la capacità parassite (principalmente Coss) del MOSFET. Come mostrato nella figura seguente, la linea tratteggiata rossa rappresenta l'area del circuito di alimentazione, mentre la linea tratteggiata verde rappresenta l'area del circuito di pilotaggio. Minori sono queste aree, minori saranno le oscillazioni durante la commutazione del MOSFET SiC.  
    Figura 5   5. Quali sono le somiglianze e le differenze tra un driver per MOSFET in SiC e un driver per IGBT in Si? È possibile pilotare un MOSFET in SiC utilizzando il metodo della scheda driver IGBT plug-in?  
Non utilizzabile. Poiché viene utilizzata la scheda di pilotaggio, l'induttanza parassita del circuito di pilotaggio è relativamente elevata, il che richiede una resistenza di pilotaggio maggiore per lo smorzamento, causando a sua volta un rallentamento della velocità di commutazione e un aumento delle perdite. Se non si utilizza una resistenza di pilotaggio maggiore per lo smorzamento, la forma d'onda Vgs causerà un'oscillazione relativamente ampia, che porterà all'oscillazione di Vds, aumentando così le perdite di commutazione. Inoltre, l'induttanza parassita relativamente elevata aumenta di per sé l'impedenza del circuito di pilotaggio e la capacità anti-Miller del circuito di pilotaggio risulta indebolita, con conseguente rallentamento della velocità di commutazione e aumento delle perdite.  
  6. A cosa bisogna prestare attenzione quando si collegano in parallelo i MOSFET SiC?  
Per garantire che il circuito di pilotaggio di ciascun MOSFET SiC e il circuito di alimentazione principale siano il più simmetrici possibile, la distanza tra l'uscita del chip di pilotaggio e il gate di ciascun MOSFET SiC deve essere la stessa. I MOSFET richiedono una resistenza Rg separata per aumentare la coerenza. Se i MOSFET in parallelo condividono una resistenza di pilotaggio, il MOSFET con la tensione di soglia più bassa verrà acceso per primo e la Vgs degli altri MOSFET verrà bloccata alla tensione di soglia, con il risultato che solo il MOSFET con la tensione di soglia più bassa verrà acceso e tutti gli altri transistor saranno spenti. Lo stesso vale per il processo di spegnimento. Il MOSFET con la tensione di soglia più alta viene spento per primo e la tensione viene bloccata alla tensione di soglia fino al completamento del processo di spegnimento del MOSFET. Si può notare che l'utilizzo di una singola resistenza di pilotaggio per pilotare tutti i MOSFET causerà un flusso di corrente dinamico relativamente elevato e irregolare negli istanti di commutazione. A tale scopo, è necessario configurare una Rg separata per ciascun MOSFET, in modo da disaccoppiare la Vgs di ciascun MOSFET e migliorare la ripartizione dinamica della corrente. Le caratteristiche di ripartizione statica della corrente si ottengono principalmente grazie alla coerenza dei parametri del MOSFET stesso. Per il collegamento in parallelo diretto, è necessario selezionare con cura i MOSFET con parametri coerenti.
 
    Figura 6  
  8. Quanto è migliore l'induttanza parassita del MOSFET SiC TO247-4 rispetto al TO247-3? Ci sono parametri specifici da considerare?  
Secondo i dati pubblicati da CREE, la perdita di commutazione del package TO247-4 è solo il 30% della perdita di commutazione del package TO247-3 (600 V/40 A). È evidente che i vantaggi del package TO247-4 sono molto marcati.  
    Figura 7  
L'induttore interno a sorgente comune presente nel package TO247-3 rallenta la velocità di accensione e spegnimento del MOSFET, aumentando così le perdite di commutazione. Il package TO247-4, invece, dispone di un conduttore di sorgente separato per il pilotaggio, bypassando l'induttore interno a sorgente comune ed evitando il suo impatto sul processo di commutazione, riducendo così le perdite di commutazione. Analizziamo innanzitutto il processo di accensione. In un tipico esperimento a doppio impulso, questo si ottiene accendendo e spegnendo il tubo superiore. Ci concentriamo principalmente sul ciclo Vgs del tubo superiore. Quando il tubo superiore viene acceso, la corrente Id di Q1 aumenta, quindi la tensione indotta da L_SL è positiva in alto e negativa in basso, e la sua tensione ha la stessa polarità della tensione di pilotaggio esterna (tensione positiva), il che provoca una diminuzione della tensione Vgs sul MOSFET-Die interno, rallentando così il processo di accensione del MOSFET.  
    Figura 8  
Ora analizziamo il processo di spegnimento del tubo superiore. Q1 si spegne, causando una diminuzione di Id. La tensione indotta da L_SL è negativa nella parte superiore e positiva in quella inferiore. Questa tensione ha polarità opposta alla tensione di pilotaggio esterna (tensione negativa o zero), il che riduce la tensione di Vgs sul MOSFET interno durante il processo di spegnimento. Se la tensione su L_SL è sufficientemente elevata, può addirittura far sì che la tensione sul MOSFET interno cambi da negativa a positiva, portando a un'accensione errata! Pertanto, L_SL rallenterà il processo di spegnimento, aumentando di conseguenza le perdite di spegnimento.  
    Figura 9  
La figura seguente utilizza un contenitore TO247-4. Grazie alla presenza di un conduttore Kelvin-Source separato, la tensione indotta su L_SL non può influenzare il circuito di pilotaggio, aumentando così la velocità di commutazione e riducendo le perdite di commutazione.  
   

Figure 10

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