Будучи полупроводниковым материалом третьего поколения, SiC обладает превосходными характеристиками по всем параметрам по сравнению с материалами на основе кремния. По сравнению с традиционными силовыми приборами на основе кремниевых полупроводников, новые силовые приборы на основе SiC обладают преимуществами высокой скорости переключения, высокого блокирующего напряжения и высокой устойчивости к высоким температурам, что позволяет им лучше соответствовать требованиям развития будущих технологий силовой электроники.
Компания Shanghai Zhanxin Electronics после трех лет углубленных исследований и разработок стала первой в Китае, освоившей 6-дюймовые процессы производства SiC MOSFET и SBD, а также микросхемы драйверов SiC MOSFET. В этой статье рассматриваются надежность и области применения силовых SiC-устройств компании Zhanxin Electronics, чтобы пользователи могли быть уверены в их надежности до начала использования и избежать проблем во время эксплуатации, что позволит создавать более качественную продукцию.  
  1. Есть ли у компании Shanghai Zhanxin Electronics данные о предельных значениях воздействия положительного и отрицательного напряжения на SiC MOSFET?  
Спецификация напряжения затвора SiC MOSFET от Zhanxin Electronics (+20 В/-5 В) строго сертифицирована в соответствии со стандартом JEDEC, что гарантирует срок службы изделия не менее 10 лет при комнатной температуре. Для применений, превышающих спецификацию напряжения затвора, существуют два основных момента, которые следует учитывать.  
Во-первых, модель срока службы самого затвора в основном определяется моделью TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown — зависящий от времени пробой диэлектрика) для SiO2. Уже имеется большой объем данных, показывающих, что качество диэлектрического слоя SiO2, выращенного на SiC, так же хорошо, как и SiO2, выращенного на Si. Поэтому с точки зрения TDDB, более высокое напряжение, которое может выдержать диэлектрик затвора при 20 В, и модель срока службы при этом напряжении аналогичны таковым для Si. MOSFET и IGBT — это одно и то же; компания Zhanxin Electronics использует собственный SiC MOSFET для разработки процесса получения диэлектрика затвора из SiO2 и модели срока службы устройства.  
Во-вторых, самое большое различие и проблема между SiC MOSFET и Si MOS продуктами (MOSFET и IGBT) заключается в нестабильности при положительном смещении (PBTI) и нестабильности при отрицательном смещении (NBTI). При добавлении положительного смещения пороговое напряжение Vth устройства увеличивается, а при добавлении отрицательного смещения — уменьшается. В условиях сертификации JEDEC срок службы устройства может быть гарантирован при работе в пределах заданного напряжения затвора. Для моделей срока службы, превышающих заданное напряжение затвора, компания Zhanxin Electronics разрабатывает оборудование и проводит детальные исследования. В целом, пока положительное напряжение затвора не превышает 25 В, а отрицательное напряжение затвора не опускается ниже -10 В, относительно небольшие импульсы в режиме DutyCycle не вызовут необратимого ухудшения характеристик устройства. Конкретные количественные зависимости и модель срока службы будут представлены в конце первого этапа исследований.  
  2. Как компания Shanghai Zhanxin Electronics решает проблему создания отрицательного управляющего напряжения в приложениях на основе SiC MOSFET? Насколько надежен этот подход?  
Компания Zhanxin Electronics разработала первый в отрасли драйвер 35 В/4 А IVCR1401D/IVCR1401DP в 8-контактном корпусе со встроенным драйвером отрицательного напряжения. После запуска драйвера выход NEG подтягивается к GND, и внутренний источник тока быстро заряжает конденсатор отрицательного напряжения. После установления отрицательного напряжения вывод NEG отпускается, и внутренний стабилизатор отрицательного напряжения может отрегулировать отрицательное напряжение до -3.5 В для нормальной работы. После этого управляющий сигнал затвора NEG переключается между (VCC-3.5 В) и -3.5 В. На рисунке ниже показан процесс установления отрицательного напряжения на конденсаторе отрицательного напряжения. Для зарядки конденсатора емкостью 1 мкФ требуется около 28 мкс. Для уменьшения пульсаций на конденсаторе отрицательного напряжения следует использовать конденсаторы X7R с емкостью более чем в 100 раз превышающей емкость Cg, чтобы обеспечить надежное и стабильное установление и управление отрицательным напряжением. Схема системы тестирования на старение нашей компании была проверена с использованием этого чипа. Он способен управлять SiC MOSFET в рабочих условиях 1000 В/20 А/125 ℃. После 1000 часов непрерывной работы он по-прежнему стабильно и надежно функционирует.  
    Рисунок 1      3. Как компания Shanghai Zhanxin Electronics решает проблему отрицательных скачков напряжения в приложениях SiC MOSFET? Каков механизм генерации отрицательных скачков напряжения? Какие существуют способы борьбы с ними?  
SiC MOSFET обладает более высокой скоростью переключения, чем традиционные силовые устройства на основе кремния. Однако этот быстрый переходный процесс делает характеристики переключения SiC MOSFET более чувствительными к паразитным параметрам контура, что особенно отражается на форме управляющего сигнала. На рисунке ниже показан скачок напряжения, создаваемый эффектом Миллера. В полумостовой схеме на SiC MOSFET нижний транзистор остается выключенным. Когда верхний транзистор выключен, генерируется большее значение dv/dt. Из-за паразитной индуктивности в силовом и управляющем контурах генерируется больший ток Миллера. Этот ток создаст падение напряжения на управляющем резисторе RG, в результате чего на форме сигнала VGS появляется отрицательный скачок; аналогично, когда верхний транзистор включен, также генерируется большее значение dv/dt. Из-за паразитной индуктивности, присутствующей в контуре, также генерируется больший ток Миллера. Этот ток создаст падение напряжения на управляющем резисторе RG, в результате чего на форме сигнала VGS появляется положительный скачок.     Рисунок 2  
  Для уменьшения скачка отрицательного давления в приводе можно предложить несколько вариантов:  
1) Подключите параллельно управляющему резистору RG транзистор MOS (рекомендуемая модель: QS5K2TR), соединенный встречно, чтобы уменьшить падение напряжения, вызванное эффектом Миллера на RG, ​​и тем самым снизить пиковое напряжение Миллера, как показано на рисунке ниже Q1, Q2;
  Рисунок 3 2) Разместите микросхему драйвера как можно ближе к затвору SiC MOSFET, чтобы максимально уменьшить паразитную индуктивность в контуре управления; 3) Минимизируйте площадь силового контура на схеме и минимизируйте индуктивность общего истока в силовом и управляющем контурах; 4) Если позволяют условия, используйте SiC MOSFET в корпусе TO247-4 и максимально используйте управление по Кельвину, чтобы уменьшить паразитную индуктивность, создаваемую выводами устройства.  
  4. Как компания Shanghai Zhanxin Electronics решает проблему коммутационных колебаний в приложениях SiC MOSFET?  
Наиболее важным аспектом проблемы колебаний SiC MOSFET является, прежде всего, решение проблемы колебаний в управляющей цепи и предотвращение колебаний, вызванных колебаниями управляющего сигнала. Для решения проблемы колебаний в управляющей цепи необходимо разместить микросхему драйвера как можно ближе к затвору SiC MOSFET, чтобы максимально уменьшить паразитную индуктивность и колебания. Ниже представлены два рисунка. На верхнем рисунке показана тестовая осциллограмма, когда микросхема драйвера находится далеко от SiC MOSFET, а на нижнем — когда она находится ближе. Голубой цвет на обоих рисунках — это осциллограмма Vgs, а желтый — осциллограмма Vds. На левом рисунке пик Миллера достигает 19.2 В, а на правом — всего 4.6 В. Основная причина такого значительного улучшения заключается в том, что микросхема драйвера расположена относительно близко к SiC MOSFET.  
    Рисунок 4  
Далее мы рассмотрим несколько важных моментов, касающихся компоновки SiC MOSFET. Хорошая компоновка поможет уменьшить колебания. Во-первых, микросхема драйвера должна располагаться как можно ближе к SiC MOSFET, чтобы обеспечить минимальную площадь схемы драйвера. Во-вторых, высокочастотные колебания вызваны колебаниями между печатной платой и паразитной индуктивностью и паразитной емкостью (в основном Coss) MOSFET. Как показано на рисунке ниже, красная пунктирная линия обозначает площадь силового контура, а зеленая пунктирная линия — площадь управляющего контура. Чем меньше эти площади, тем меньше колебания при переключении SiC MOSFET.  
    Рисунок 5   5. What are the similarities and differences between SiC MOSFET driver and Si IGBT driver? Can SiC MOSFET be driven using the IGBT plug-in driver board method?  
Не подходит для использования. Поскольку используется плата управления, паразитная индуктивность цепи управления относительно велика, что требует большего резистора управления для демпфирования, что, в свою очередь, приводит к замедлению скорости переключения и увеличению потерь. Если для демпфирования не используется резистор управления большей величины, форма сигнала Vgs вызовет относительно сильные колебания, что приведет к колебаниям Vds, тем самым увеличивая потери при переключении. Кроме того, сама относительно большая паразитная индуктивность увеличивает импеданс цепи управления, а антимиллеровская способность цепи управления ослабляется, что приводит к замедлению скорости переключения и увеличению потерь.  
  6. На что следует обратить внимание при параллельном соединении SiC MOSFET-транзисторов?  
Для обеспечения максимальной симметрии схемы управления каждого SiC MOSFET и основной силовой цепи необходимо, чтобы расстояние от выхода микросхемы драйвера до затвора каждого SiC MOSFET было одинаковым. Для повышения согласованности MOSFETам требуется отдельный резистор Rg. Если параллельно работающие MOSFET используют один и тот же управляющий резистор, то первым будет включен MOSFET с наименьшим пороговым напряжением, а напряжения Vgs других MOSFET будут зафиксированы на пороговом напряжении, в результате чего включится только MOSFET с наименьшим пороговым напряжением, а все остальные транзисторы останутся выключенными. То же самое справедливо и для процесса выключения. Первым выключается MOSFET с наибольшим пороговым напряжением, и напряжение фиксируется на пороговом напряжении до завершения процесса выключения MOSFET. Видно, что использование одного управляющего резистора для управления всеми MOSFET приведет к относительно большому динамическому неравномерному току в моменты переключения. Для этой цели необходимо настроить отдельное сопротивление Rg для каждого MOSFET, чтобы развязать напряжения Vgs каждого MOSFET и улучшить динамическое распределение тока. Характеристики статического распределения тока в основном достигаются за счет согласованности параметров самого MOSFET. Для прямого параллельного соединения необходимо тщательно отбирать MOSFET с согласованными параметрами.
 
    Рисунок 6  
  8. Насколько меньше паразитная индуктивность SiC MOSFET в корпусе TO247-4 по сравнению с TO247-3? Есть ли какие-либо конкретные параметры?  
Согласно данным, опубликованным компанией CREE, потери при переключении в корпусе TO247-4 составляют всего 30% от потерь при переключении в корпусе TO247-3 (600 В/40 А). Таким образом, преимущества корпуса TO247-4 очевидны.  
    Рисунок 7  
Внутренний индуктор с общим истоком в корпусе TO247-3 замедляет скорость включения и выключения MOSFET, тем самым увеличивая потери при переключении. Однако в корпусе TO247-4 имеется отдельный вывод истока для управления, что позволяет обойти внутренний индуктор с общим истоком и избежать его влияния на процесс переключения, тем самым достигая цели снижения потерь при переключении. Сначала рассмотрим процесс включения. В типичном эксперименте с двойным импульсом он достигается путем включения и выключения верхней лампы. Мы в основном сосредоточимся на контуре Vgs верхней лампы. Когда верхняя лампа включена, ток Id транзистора Q1 увеличивается, затем напряжение, индуцированное L_SL, становится положительным и отрицательным, и его напряжение имеет ту же полярность, что и внешнее управляющее напряжение (положительное напряжение), что приводит к уменьшению напряжения Vgs на внутреннем кристалле MOSFET, тем самым замедляя процесс включения MOSFET.  
    Рисунок 8  
Далее рассмотрим процесс выключения верхней трубки. Транзистор Q1 выключается, что приводит к уменьшению тока Id. Напряжение, индуцированное L_SL, отрицательно в верхней части и положительно в нижней. Это напряжение имеет противоположную полярность по отношению к внешнему управляющему напряжению (отрицательное напряжение или нулевое напряжение), что уменьшит напряжение Vgs на внутреннем MOSFET-чипе во время процесса выключения. Если напряжение на L_SL достаточно велико, оно может даже вызвать изменение напряжения на внутреннем MOSFET-чипе с отрицательного на положительное, что приведет к ошибочному включению! Таким образом, L_SL замедлит процесс выключения, тем самым увеличив потери при выключении.  
    Рисунок 9  
На рисунке ниже используется корпус TO247-4. Благодаря наличию отдельного вывода Кельвина-Источника, наведенное напряжение на L_SL не может влиять на схему управления, что увеличивает скорость переключения и снижает потери при переключении.  
   

Рисунок 10

Отказ от ответственности: Данная статья воспроизведена из «INSEMI». Эта статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение разрешены только в целях защиты прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.