Als halfgeleidermateriaal van de derde generatie heeft SiC op alle vlakken superieure prestaties ten opzichte van materialen op basis van silicium. Vergeleken met traditionele vermogenscomponenten op basis van silicium, bieden de opkomende SiC-vermogenscomponenten voordelen zoals een snelle schakelsnelheid, een hoge blokkeerspanning en een sterk vermogen om bij hoge temperaturen te functioneren. Hierdoor kunnen ze beter voldoen aan de ontwikkelingsvereisten van toekomstige vermogenselektronicatechnologie.
Shanghai Zhanxin Electronics heeft na drie jaar diepgaand onderzoek, ontwikkeling en hard werken als eerste bedrijf in China de productieprocessen voor 6-inch SiC MOSFET's en SBD's, evenals SiC MOSFET-driverchips, volledig onder de knie. Dit artikel beschrijft de betrouwbaarheid en toepassingsmogelijkheden van de SiC-vermogenscomponenten van Zhanxin Electronics, zodat gebruikers met een gerust hart aan de slag kunnen en zich tijdens het gebruik geen zorgen hoeven te maken, wat uiteindelijk leidt tot betere producten.  
  1. Beschikt Shanghai Zhanxin Electronics over gegevens over de positieve en negatieve spanningslimieten voor de SiC MOSFET?  
De poortspanningspecificatie (+20V/-5V) van de SiC MOSFET's van Zhanxin Electronics is strikt gecertificeerd volgens JEDEC, waardoor een levensduur van het product van minimaal 10 jaar bij kamertemperatuur gegarandeerd is. Voor toepassingen die de poortspanningspecificatie overschrijden, zijn er twee belangrijke aandachtspunten.  
Ten eerste wordt het levensduurmodel van de gate zelf voornamelijk bepaald door het TDDB-model (Time Dependent Dielectric Breakdown) van SiO2. Er zijn al veel gegevens die aantonen dat de kwaliteit van de SiO2-diëlektrische laag die op SiC wordt gegroeid, net zo goed is als die van SiO2 dat op Si wordt gegroeid. Vanuit het perspectief van TDDB zijn de hogere spanning die het 20V-gate-diëlektricum kan weerstaan ​​en het levensduurmodel bij deze spanning dus vergelijkbaar met die van Si. Voor MOSFET's en IGBT's geldt hetzelfde; Zhanxin Electronics gebruikt zijn eigen SiC MOSFET om het SiO2-gate-diëlektricumproces en het levensduurmodel van het apparaat te ontwikkelen.  
Ten tweede is het grootste verschil en de grootste uitdaging tussen SiC MOSFET's en Si MOS-producten (MOSFET's en IGBT's) de PBTI (Positive Bias Temperature Instability) en NBTI (Negative Bias Temperature Instability) (negatieve bias-temperatuurinstabiliteit). De Vth van het apparaat neemt toe na het toevoegen van een positieve bias en neemt af na het toevoegen van een negatieve bias. Onder JEDEC-certificeringsvoorwaarden kan de levensduur van het apparaat worden gegarandeerd door te werken binnen de specificatie van de gate-spanning. Voor toepassingsmodellen met een levensduur die de specificatie van de gate-spanning overschrijden, bouwt Zhanxin Electronics apparatuur en voert gedetailleerde planning en onderzoek uit. Over het algemeen geldt dat zolang de positieve gate-spanning niet hoger is dan 25V en de negatieve gate-spanning niet lager dan -10V, de relatief kleine pulsen van de duty cycle geen onherstelbare schade aan de prestaties van het apparaat zullen veroorzaken. De specifieke kwantitatieve relatie en het levensduurmodel zullen aan het einde van de eerste onderzoeksronde worden gepresenteerd.  
  2. Hoe lost Shanghai Zhanxin Electronics het probleem op van het creëren van een negatieve stuurspanning in SiC MOSFET-toepassingen? Is deze aanpak betrouwbaar?  
Zhanxin Electronics heeft de eerste 35V/4A driver in de branche ontwikkeld, de IVCR1401D/IVCR1401DP, in een 8-pins behuizing met geïntegreerde negatieve spanningsaansturing. Na het opstarten van de driver wordt de NEG-uitgang naar GND getrokken en laadt de interne stroombron de negatieve spanningscondensator snel op. Zodra de negatieve spanning is ingesteld, wordt de NEG-pin losgelaten en kan de interne negatieve spanningsregelaar de negatieve spanning aanpassen naar -3.5V voor normaal gebruik. Daarna schakelt het gate-aansturingssignaal NEG tussen (VCC-3.5V) en -3.5V. De onderstaande afbeelding toont het proces van het instellen van de negatieve spanning van de negatieve spanningscondensator. Het duurt ongeveer 28 µs om een ​​condensator van 1 µF op te laden. Om de rimpel op de negatieve spanningscondensator te verminderen, moeten X7R-condensatoren met een capaciteit van meer dan 100 keer de Cg-waarde worden gebruikt, zodat de negatieve spanning betrouwbaar en stabiel kan worden ingesteld en aangestuurd. Het testcircuit van ons bedrijf is met deze chip geverifieerd. Het kan SiC MOSFET's aansturen onder bedrijfsomstandigheden van 1000V/20A/125℃. Na 1000 uur continu gebruik blijft het stabiel en betrouwbaar functioneren.  
    图1      3. Hoe lost Shanghai Zhanxin Electronics het probleem van negatieve spanningspieken in SiC MOSFET-toepassingen op? Wat is het mechanisme achter het ontstaan ​​van negatieve spanningspieken? Wat zijn de manieren om dit probleem aan te pakken?  
SiC MOSFET's hebben een snellere schakelsnelheid dan traditionele Si-vermogenscomponenten. Dit snelle transiënte proces maakt de schakelprestaties van SiC MOSFET's echter gevoeliger voor de parasitaire parameters van de lus, wat vooral tot uiting komt in de stuurgolfvorm. De onderstaande afbeelding toont de spanningspiek die wordt veroorzaakt door het Miller-effect. In een halfbrugschakeling van een SiC MOSFET blijft de onderste buis uitgeschakeld. Wanneer de bovenste buis wordt uitgeschakeld, ontstaat een grotere dv/dt. Door de parasitaire inductantie in de vermogenslus en de stuurlus wordt een grotere Miller-stroom gegenereerd. Deze stroom veroorzaakt een spanningsval over de stuurweerstand RG, wat resulteert in een negatieve piek in de VGS-golfvorm. Op dezelfde manier ontstaat er een grotere dv/dt wanneer de bovenste buis wordt ingeschakeld. Door de parasitaire inductantie in de lus wordt ook hier een grotere Miller-stroom gegenereerd. Deze stroom veroorzaakt een spanningsval over de stuurweerstand RG, wat resulteert in een positieve piek in de VGS-golfvorm.     图2  
  Om de negatieve drukpiek van de aandrijving te verminderen, zijn er verschillende suggesties:  
1) Sluit een MOS-transistor in tegengestelde richting (aanbevolen model: QS5K2TR) parallel aan de stuurweerstand RG aan om de spanningsval veroorzaakt door het Miller-effect op RG te verminderen, waardoor de piekspanning van het Miller-effect afneemt, zoals weergegeven in onderstaande afbeelding Q1, Q2;
  Figuur 3 2) Plaats de driverchip zo dicht mogelijk bij de gate van de SiC MOSFET om de parasitaire inductantie in de aansturingslus zoveel mogelijk te verminderen; 3) Minimaliseer het oppervlak van de voedingslus in de lay-out en minimaliseer de gemeenschappelijke broninductantie in de voedingslus en de aansturingslus; 4) Gebruik, indien mogelijk, SiC MOSFET's in een TO247-4-behuizing en maak zoveel mogelijk gebruik van Kelvin-aansturing om de parasitaire inductantie veroorzaakt door de pinnen van het apparaat te verminderen.  
  4. Hoe lost Shanghai Zhanxin Electronics het schakeloscillatieprobleem in SiC MOSFET-toepassingen op?  
Het meest cruciale aspect van het oscillatieprobleem van SiC MOSFET's is het oplossen van het oscillatieprobleem in het aansturingscircuit en het voorkomen van oscillatie veroorzaakt door het aansturingssignaal. Om het probleem van oscillatie in de aansturingslus op te lossen, moet de aansturingschip zo dicht mogelijk bij de gate van de SiC MOSFET worden geplaatst om parasitaire inductantie en oscillatie zoveel mogelijk te verminderen. Hieronder staan ​​twee afbeeldingen. De bovenste afbeelding toont de testgolfvorm wanneer de aansturingschip ver van de SiC MOSFET verwijderd is, en de onderste afbeelding toont de testgolfvorm wanneer deze dichterbij is. De lichtblauwe golfvorm in beide afbeeldingen is de Vgs-golfvorm en de gele de Vds-golfvorm. In de linker afbeelding is de Miller-piek maar liefst 19.2 V, terwijl deze in de rechter afbeelding slechts 4.6 V bedraagt. De belangrijkste reden voor deze grote verbetering is dat de aansturingschip relatief dicht bij de SiC MOSFET is geplaatst.  
    图4  
Vervolgens zullen we enkele aandachtspunten met betrekking tot de lay-out van SiC MOSFET's toelichten. Een goede lay-out helpt oscillatie te verminderen. Ten eerste moet de driver-IC zo dicht mogelijk bij de SiC MOSFET worden geplaatst om ervoor te zorgen dat het oppervlak van het drivercircuit zo klein mogelijk is. Ten tweede wordt hoogfrequente oscillatie veroorzaakt door de oscillatie tussen de printplaat en de parasitaire inductantie en parasitaire capaciteit (voornamelijk Coss) van de MOSFET. Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, is de rode stippellijn het gebied van de voedingslus en de groene stippellijn het gebied van de aansturingslus. Hoe kleiner deze gebieden zijn, hoe kleiner de oscillatie wanneer de SiC MOSFET schakelt.  
    图5   5. Wat zijn de overeenkomsten en verschillen tussen een SiC MOSFET-driver en een Si IGBT-driver? Kan een SiC MOSFET worden aangestuurd met behulp van de IGBT-insteekkaartmethode?  
Kan niet worden gebruikt. Omdat er een driverprintplaat wordt gebruikt, is de parasitaire inductantie van het aansturingscircuit relatief groot. Dit vereist een grotere aansturingsweerstand voor demping, wat op zijn beurt de schakelsnelheid vertraagt ​​en de verliezen verhoogt. Zonder een grotere aansturingsweerstand voor demping zal de Vgs-golfvorm een ​​relatief grote oscillatie veroorzaken, wat leidt tot Vds-oscillatie en daardoor tot hogere schakelverliezen. Bovendien verhoogt de relatief grote parasitaire inductantie zelf de impedantie van het aansturingscircuit, waardoor het anti-Miller-vermogen van het circuit verzwakt, met als gevolg een lagere schakelsnelheid en hogere verliezen.  
  6. Waar moeten we op letten bij het parallel schakelen van SiC MOSFETs?  
Om ervoor te zorgen dat het aansturingscircuit van elke SiC-MOSFET en het hoofdvoedingscircuit zo symmetrisch mogelijk zijn, moet de afstand van de uitgang van de driverchip tot de gate van elke SiC-MOSFET gelijk zijn. MOSFET's hebben een aparte Rg nodig om de consistentie te vergroten. Als parallel geschakelde MOSFET's een gedeelde aansturingsweerstand hebben, wordt de MOSFET met de laagste drempelspanning als eerste ingeschakeld en worden de Vgs van de andere MOSFET's begrensd op de drempelspanning. Dit resulteert erin dat alleen de MOSFET met de laagste drempelspanning wordt ingeschakeld en alle andere buizen niet. Hetzelfde geldt voor het uitschakelproces. De MOSFET met de hoogste drempelspanning wordt als eerste uitgeschakeld en de spanning wordt begrensd op de drempelspanning totdat de MOSFET het uitschakelproces heeft voltooid. Het is duidelijk dat het gebruik van één aansturingsweerstand voor alle MOSFET's een relatief grote dynamische ongelijkmatige stroomverdeling veroorzaakt op de schakelmomenten. Hiervoor moet voor elke MOSFET een aparte Rg worden geconfigureerd, zodat de Vgs van elke MOSFET wordt ontkoppeld en de dynamische stroomdeling wordt verbeterd. De statische stroomdelingseigenschappen worden voornamelijk bereikt door de parameterconsistentie van de MOSFET zelf. MOSFETs met consistente parameters moeten zorgvuldig worden geselecteerd voor directe parallelle schakeling.
 
    图6  
  8. Hoeveel beter is de parasitaire inductantie van de SiC MOSFET TO247-4 dan die van de TO247-3? Zijn er specifieke parameters voor?  
Volgens gegevens van CREE bedraagt ​​het schakelverlies van de TO247-4-behuizing slechts 30% van het schakelverlies van de TO247-3-behuizing (600V/40A). Hieruit blijkt dat de voordelen van de TO247-4-behuizing zeer duidelijk zijn.  
    图7  
De interne common source-inductor in de TO247-3-behuizing vertraagt ​​de in- en uitschakelsnelheid van de MOSFET, waardoor het schakelverlies toeneemt. De TO247-4 heeft echter een aparte source-aansluiting voor de aansturing, waardoor de interne common source-inductor wordt omzeild en de invloed ervan op het schakelproces wordt vermeden. Dit resulteert in een vermindering van het schakelverlies. Laten we eerst kijken naar het inschakelproces. In een typisch dubbelpuls-experiment wordt dit bereikt door de bovenste buis aan en uit te schakelen. We richten ons met name op de Vgs-lus van de bovenste buis. Wanneer de bovenste buis wordt ingeschakeld, neemt de Id van Q1 toe. De spanning die door L_SL wordt opgewekt, is dan positief bij het inschakelen en negatief bij het uitschakelen. Deze spanning heeft dezelfde polariteit als de externe aansturingsspanning (positieve spanning), waardoor de Vgs-spanning op de interne MOSFET-chip afneemt en het inschakelproces van de MOSFET wordt vertraagd.  
    图8  
Laten we vervolgens kijken naar het uitschakelproces van de bovenste buis. Q1 schakelt uit, waardoor Id afneemt. De spanning die door L_SL wordt opgewekt, is negatief aan de bovenkant en positief aan de onderkant. Deze spanning heeft een tegengestelde polariteit ten opzichte van de externe stuurspanning (negatieve spanning of nulspanning), waardoor de spanning Vgs op de interne MOSFET-chip tijdens het uitschakelproces afneemt. Als de spanning op L_SL groot genoeg is, kan dit er zelfs voor zorgen dat de spanning op de interne MOSFET-chip van negatief naar positief verandert, wat kan leiden tot een onbedoelde inschakeling! L_SL vertraagt ​​dus het uitschakelproces, waardoor het uitschakelverlies toeneemt.  
    图9  
De onderstaande afbeelding maakt gebruik van een TO247-4-behuizing. Doordat er een aparte Kelvin-source-aansluiting is, kan de geïnduceerde spanning op L_SL het aansturingscircuit niet beïnvloeden, waardoor de schakelsnelheid toeneemt en de schakelverliezen afnemen.  
   

Figuur 10

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen van "INSEMI". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de sector. Het is uitsluitend bedoeld voor herpublicatie en verspreiding ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen