ในฐานะวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุที่ใช้ซิลิคอน (Si) ในทุกด้าน เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ไฟฟ้าแบบดั้งเดิมที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอน อุปกรณ์ไฟฟ้า SiC ที่กำลังพัฒนาขึ้นใหม่มีข้อดีคือ ความเร็วในการสวิตช์สูง แรงดันไฟฟ้าต้านทานสูง และความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิสูงได้ดี และสามารถตอบสนองความต้องการในการพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังในอนาคตได้ดียิ่งขึ้น
บริษัท Shanghai Zhanxin Electronics หลังจากทำการวิจัยและพัฒนาอย่างลึกซึ้งและทุ่มเทอย่างหนักเป็นเวลาสามปี บริษัทได้กลายเป็นบริษัทแรกในประเทศจีนที่เชี่ยวชาญกระบวนการผลิต SiC MOSFET และ SBD ขนาด 6 นิ้ว รวมถึงชิปไดร์เวอร์ SiC MOSFET บทความนี้จะอธิบายถึงความน่าเชื่อถือและการใช้งานของอุปกรณ์กำลังไฟฟ้า SiC ของ Zhanxin Electronics เพื่อให้ผู้ใช้มั่นใจก่อนใช้งานและไร้กังวลระหว่างการใช้งาน ส่งผลให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น  
  1. บริษัท Shanghai Zhanxin Electronics มีข้อมูลเกี่ยวกับขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าบวกและลบของ SiC MOSFET หรือไม่?  
ข้อกำหนดแรงดันเกตของ SiC MOSFET จาก Zhanxin Electronics (+20V/-5V) ได้รับการรับรองอย่างเข้มงวดตามมาตรฐาน JEDEC ทำให้มั่นใจได้ว่าอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ไม่น้อยกว่า 10 ปีที่อุณหภูมิห้อง สำหรับการใช้งานที่เกินข้อกำหนดแรงดันเกต มีข้อควรพิจารณาหลักสองประการ  
ประการแรก แบบจำลองอายุการใช้งานของเกตนั้นส่วนใหญ่กำหนดโดยแบบจำลอง TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) ของ SiO2 มีข้อมูลจำนวนมากที่แสดงให้เห็นว่าคุณภาพของชั้นไดอิเล็กทริก SiO2 ที่ปลูกบน SiC นั้นดีพอๆ กับ SiO2 ที่ปลูกบน Si ดังนั้น จากมุมมองของ TDDB แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นที่ไดอิเล็กทริกเกต 20V สามารถทนได้และแบบจำลองอายุการใช้งานที่แรงดันไฟฟ้านี้จึงคล้ายคลึงกับของ Si MOSFET และ IGBT เช่นเดียวกัน บริษัท Zhanxin Electronics ใช้ SiC MOSFET ของตนเองในการสร้างกระบวนการไดอิเล็กทริกเกต SiO2 และแบบจำลองอายุการใช้งานของอุปกรณ์  
ประการที่สอง ความแตกต่างและความท้าทายที่สำคัญที่สุดระหว่าง SiC MOSFET และ Si MOS (MOSFET และ IGBT) คือ PBTI (Positive Bias Temperature Instability) และ NBTI (Negative Bias Temperature Instability) ซึ่งหมายความว่าค่า Vth ของอุปกรณ์จะเพิ่มขึ้นหลังจากเพิ่มไบแอสบวก และค่า Vth ของอุปกรณ์จะลดลงหลังจากเพิ่มไบแอสลบ ภายใต้เงื่อนไขการรับรอง JEDEC อายุการใช้งานของอุปกรณ์สามารถรับประกันได้โดยการทำงานภายในข้อกำหนดแรงดันเกต สำหรับแบบจำลองอายุการใช้งานที่เกินข้อกำหนดแรงดันเกต บริษัท Zhanxin Electronics กำลังสร้างอุปกรณ์และวางแผนและวิจัยอย่างละเอียด โดยทั่วไปแล้ว ตราบใดที่แรงดันเกตบวกไม่เกิน 25V และแรงดันเกตลบไม่ต่ำกว่า -10V พัลส์ขนาดเล็กของ Duty Cycle จะไม่ก่อให้เกิดความเสียหายที่ไม่สามารถแก้ไขได้ต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ความสัมพันธ์เชิงปริมาณที่เฉพาะเจาะจงและแบบจำลองอายุการใช้งานจะระบุไว้ในตอนท้ายของการวิจัยรอบแรก  
  2. บริษัท Shanghai Zhanxin Electronics แก้ปัญหาการสร้างแรงดันขับลบในแอปพลิเคชัน SiC MOSFET อย่างไร และวิธีการนี้เชื่อถือได้หรือไม่  
บริษัท Zhanxin Electronics ได้พัฒนาชิปขับแรงดันลบแบบรวมวงจรตัวแรกของอุตสาหกรรม คือ IVCR1401D/IVCR1401DP ขนาด 35V/4A ในแพ็คเกจ 8 ขา หลังจากที่ชิปขับเริ่มทำงาน ขา NEG จะถูกดึงลงกราวด์ และแหล่งจ่ายกระแสภายในจะชาร์จตัวเก็บประจุแรงดันลบอย่างรวดเร็ว หลังจากที่แรงดันลบถูกสร้างขึ้นแล้ว ขา NEG จะถูกปล่อย และตัวควบคุมแรงดันลบภายในจะปรับแรงดันลบเป็น -3.5V เพื่อการทำงานปกติ หลังจากนั้น สัญญาณขับเกต NEG จะสลับระหว่าง (VCC-3.5V) และ -3.5V ภาพด้านล่างแสดงกระบวนการสร้างแรงดันลบของตัวเก็บประจุแรงดันลบ การชาร์จตัวเก็บประจุ 1uF ใช้เวลาประมาณ 28us ควรใช้ตัวเก็บประจุ X7R ที่มีค่าความจุมากกว่า 100 เท่าของ Cg เพื่อลดริปเปิลบนตัวเก็บประจุแรงดันลบ เพื่อให้สามารถสร้างและขับแรงดันลบได้อย่างน่าเชื่อถือและเสถียร วงจรทดสอบอายุการใช้งานของบริษัทเราได้รับการตรวจสอบแล้วโดยใช้ชิปนี้ สามารถขับเคลื่อน SiC MOSFET ภายใต้สภาวะการทำงานที่ 1000V/20A/125℃ ได้ และหลังจากใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลา 1000 ชั่วโมง ก็ยังคงสามารถขับเคลื่อนได้อย่างเสถียรและเชื่อถือได้  
    รูปที่ 1      3. บริษัท Shanghai Zhanxin Electronics แก้ปัญหาแรงดันไฟกระชากลบในแอปพลิเคชัน SiC MOSFET อย่างไร กลไกการเกิดแรงดันไฟกระชากลบคืออะไร และมีวิธีรับมือกับปัญหานี้อย่างไร  
MOSFET ที่ทำจาก SiC มีความเร็วในการสวิตช์สูงกว่าอุปกรณ์กำลังไฟฟ้า Si แบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม กระบวนการเปลี่ยนสถานะที่รวดเร็วนี้จะทำให้ประสิทธิภาพการสวิตช์ของ MOSFET ที่ทำจาก SiC มีความไวต่อพารามิเตอร์ปรสิตของวงจรมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่สะท้อนให้เห็นในรูปคลื่นของสัญญาณขับ รูปด้านล่างแสดงแรงดันสไปค์ที่เกิดจากปรากฏการณ์มิลเลอร์ ในการใช้งาน MOSFET แบบฮาล์ฟบริดจ์ SiC ท่อด้านล่างจะยังคงปิดอยู่ เมื่อท่อด้านบนปิดลง จะเกิด dv/dt ที่ใหญ่ขึ้น เนื่องจากความเหนี่ยวนำปรสิตในวงจรไฟฟ้าและวงจรขับ จะเกิดกระแส Miller ที่ใหญ่ขึ้น กระแสนี้จะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานขับ RG ส่งผลให้ VGS เกิดสไปค์ลบในรูปคลื่น ในทำนองเดียวกัน เมื่อท่อด้านบนเปิดลง จะเกิด dv/dt ที่ใหญ่ขึ้นเช่นกัน เนื่องจากความเหนี่ยวนำปรสิตที่มีอยู่ในวงจร จะเกิดกระแส Miller ที่ใหญ่ขึ้น กระแสนี้จะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานขับ RG ส่งผลให้ VGS เกิดสไปค์บวกในรูปคลื่น     รูปที่ 2  
  เพื่อลดแรงดันลบที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันในไดรฟ์ มีคำแนะนำหลายประการดังนี้:  
1) ต่อ MOS แบบ back-to-back (รุ่นที่แนะนำ: QS5K2TR) ขนานกับตัวต้านทานขับ RG เพื่อลดแรงดันตกคร่อมที่เกิดจากปรากฏการณ์ Miller บน RG ซึ่งจะช่วยลดแรงดันสูงสุดของ Miller ดังแสดงในรูปด้านล่าง Q1, Q2
  รูปที่ 3 2) วางชิปไดรเวอร์ให้ใกล้กับเกตของ SiC MOSFET มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำปรสิตในวงจรขับให้น้อยที่สุด 3) ลดพื้นที่ของวงจรจ่ายไฟในแบบแปลนให้เหลือน้อยที่สุด และลดค่าความเหนี่ยวนำแหล่งกำเนิดร่วมในวงจรจ่ายไฟและวงจรขับให้เหลือน้อยที่สุด 4) เมื่อเงื่อนไขเอื้ออำนวย ให้ใช้ SiC MOSFET ที่บรรจุในแพ็คเกจ TO247-4 และใช้การขับแบบ Kelvin ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำปรสิตที่เกิดจากขาของอุปกรณ์  
  4. Shanghai Zhanxin Electronics แก้ปัญหาการสลับการแกว่งในแอปพลิเคชัน SiC MOSFET ได้อย่างไร  
สิ่งสำคัญที่สุดเกี่ยวกับปัญหาการสั่นของ SiC MOSFET คือการแก้ปัญหาการสั่นของวงจรขับก่อน และป้องกันการสั่นที่เกิดจากการสั่นของสัญญาณขับ เพื่อแก้ปัญหาการสั่นของวงจรขับ จำเป็นต้องวางชิปขับให้ใกล้กับเกตของ SiC MOSFET มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อลดค่าความเหนี่ยวนำปรสิตและการสั่นให้น้อยที่สุด มีภาพสองภาพด้านล่าง ภาพบนแสดงรูปคลื่นทดสอบเมื่อชิปขับอยู่ห่างจาก SiC MOSFET และภาพล่างแสดงรูปคลื่นทดสอบเมื่ออยู่ใกล้กว่า รูปคลื่นสีฟ้าในสองภาพคือรูปคลื่น Vgs และสีเหลืองคือรูปคลื่น Vds ในภาพซ้าย ค่า Miller peak สูงถึง 19.2V ในขณะที่ภาพขวา ค่า Miller peak เพียง 4.6V สาเหตุหลักของการปรับปรุงที่ยิ่งใหญ่เช่นนี้คือ ชิปขับอยู่ใกล้กับ SiC MOSFET มากขึ้น  
    รูปที่ 4  
ต่อไป เราจะอธิบายประเด็นสำคัญบางประการเกี่ยวกับการจัดวาง SiC MOSFET การจัดวางที่ดีจะช่วยลดการสั่นสะเทือนได้ ประการแรก ไอซีไดรเวอร์ควรอยู่ใกล้กับ SiC MOSFET มากที่สุด เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นที่วงจรไดรเวอร์มีขนาดเล็กที่สุด ประการที่สอง การสั่นสะเทือนความถี่สูงเกิดจากการสั่นสะเทือนระหว่าง PCB กับค่าความเหนี่ยวนำและค่าความจุแฝง (ส่วนใหญ่คือ Coss) ของ MOSFET ดังแสดงในรูปด้านล่าง เส้นประสีแดงคือพื้นที่ของวงจรจ่ายไฟ และเส้นประสีเขียวคือพื้นที่ของวงจรขับ ยิ่งพื้นที่เหล่านี้เล็กเท่าไร การสั่นสะเทือนเมื่อ SiC MOSFET สวิตช์ก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น  
    รูปที่ 5   5. อะไรคือความเหมือนและความแตกต่างระหว่างตัวขับ SiC MOSFET และตัวขับ Si IGBT? สามารถขับ SiC MOSFET โดยใช้บอร์ดขับแบบเสียบปลั๊ก IGBT ได้หรือไม่?  
ไม่สามารถใช้งานได้ เนื่องจากมีการใช้แผงวงจรขับ ทำให้ค่าความเหนี่ยวนำปรสิตของวงจรขับค่อนข้างสูง ซึ่งจำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานขับที่ใหญ่ขึ้นเพื่อลดการสั่น ทำให้ความเร็วในการสวิตช์ช้าลงและเกิดการสูญเสียเพิ่มขึ้น หากไม่ใช้ตัวต้านทานขับที่ใหญ่ขึ้นเพื่อลดการสั่น รูปคลื่น Vgs จะเกิดการสั่นค่อนข้างมาก ซึ่งจะนำไปสู่การสั่นของ Vds ทำให้การสูญเสียในการสวิตช์เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ค่าความเหนี่ยวนำปรสิตที่ค่อนข้างสูงยังเพิ่มอิมพีแดนซ์ของวงจรขับ และทำให้ความสามารถในการต้านทานมิลเลอร์ของวงจรขับอ่อนลง ส่งผลให้ความเร็วในการสวิตช์ช้าลงและการสูญเสียเพิ่มขึ้น  
  6. เราควรให้ความสนใจอะไรบ้างเมื่อเชื่อมต่อ SiC MOSFET แบบขนาน?  
เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรขับของ SiC MOSFET แต่ละตัวและวงจรจ่ายไฟหลักมีความสมมาตรมากที่สุด ระยะห่างจากเอาต์พุตของชิปขับไปยังเกตของ SiC MOSFET แต่ละตัวจะต้องเท่ากัน MOSFET ต้องการตัวต้านทาน Rg แยกต่างหากเพื่อเพิ่มความสม่ำเสมอ หาก MOSFET ที่ต่อขนานกันใช้ตัวต้านทานขับร่วมกัน MOSFET ที่มีแรงดันเกณฑ์ต่ำที่สุดจะเปิดก่อน และ Vgs ของ MOSFET ตัวอื่นจะถูกจำกัดไว้ที่แรงดันเกณฑ์ ส่งผลให้มีเพียง MOSFET ที่มีแรงดันเกณฑ์ต่ำที่สุดเท่านั้นที่เปิด และ MOSFET ตัวอื่นจะไม่เปิด เช่นเดียวกันสำหรับกระบวนการปิด MOSFET ที่มีแรงดันเกณฑ์สูงสุดจะปิดก่อน และแรงดันจะถูกจำกัดไว้ที่แรงดันเกณฑ์จนกว่า MOSFET จะปิดสนิท จะเห็นได้ว่าการใช้ตัวต้านทานขับเพียงตัวเดียวในการขับ MOSFET ทั้งหมดจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอค่อนข้างมากในช่วงเวลาการสวิตช์ เพื่อจุดประสงค์นี้ จำเป็นต้องกำหนดค่า Rg แยกต่างหากสำหรับ MOSFET แต่ละตัว เพื่อให้ Vgs ของ MOSFET แต่ละตัวแยกออกจากกัน และเพิ่มประสิทธิภาพการแบ่งกระแสแบบไดนามิก คุณลักษณะการแบ่งกระแสแบบคงที่ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากความสอดคล้องของพารามิเตอร์ของ MOSFET เอง จำเป็นต้องเลือก MOSFET ที่มีพารามิเตอร์สอดคล้องกันอย่างระมัดระวังสำหรับการเชื่อมต่อแบบขนานโดยตรง
 
    รูปที่ 6  
  8. ค่าความเหนี่ยวนำปรสิตของ SiC MOSFET TO247-4 ดีกว่า TO247-3 มากแค่ไหน? มีพารามิเตอร์เฉพาะใดบ้างหรือไม่?  
จากข้อมูลที่เผยแพร่โดย CREE พบว่า การสูญเสียพลังงานขณะสวิตช์ของแพ็คเกจ TO247-4 มีเพียง 30% ของการสูญเสียพลังงานขณะสวิตช์ของแพ็คเกจ TO247-3 (600V/40A) จะเห็นได้ว่าข้อดีของแพ็คเกจ TO247-4 นั้นชัดเจนมาก  
    รูปที่ 7  
ตัวเหนี่ยวนำร่วมภายใน (Common Source) ในแพ็คเกจ TO247-3 จะทำให้ความเร็วในการเปิดและปิดของ MOSFET ช้าลง ส่งผลให้การสูญเสียจากการสวิตช์เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม TO247-4 มีสาย Source แยกต่างหากสำหรับการขับเคลื่อน จึงเลี่ยงตัวเหนี่ยวนำร่วมภายในและหลีกเลี่ยงผลกระทบของตัวเหนี่ยวนำร่วมภายในต่อกระบวนการสวิตช์ จึงบรรลุเป้าหมายในการลดการสูญเสียจากการสวิตช์ ก่อนอื่น มาดูที่กระบวนการเปิด ในการทดลองแบบพัลส์คู่ทั่วไป จะทำได้โดยการเปิดและปิดหลอดด้านบน เราจะเน้นที่วงจร Vgs ของหลอดด้านบนเป็นหลัก เมื่อหลอดด้านบนเปิด Id ของ Q1 จะเพิ่มขึ้น จากนั้นแรงดันที่เหนี่ยวนำโดย L_SL จะเป็นบวกเมื่อเปิดและลบเมื่อปิด และแรงดันของมันจะมีขั้วเดียวกันกับแรงดันขับภายนอก (แรงดันบวก) ซึ่งทำให้แรงดัน Vgs บน MOSFET-Die ภายในลดลง จึงทำให้กระบวนการเปิด MOSFET ช้าลง  
    รูปที่ 8  
ต่อไป เรามาดูขั้นตอนการปิดของหลอดด้านบนกัน Q1 ปิดลง ทำให้ Id ลดลง แรงดันที่เหนี่ยวนำโดย L_SL จะเป็นลบที่ด้านบนและเป็นบวกที่ด้านล่าง แรงดันนี้มีขั้วตรงข้ามกับแรงดันขับภายนอก (แรงดันลบหรือศูนย์) ซึ่งจะลดแรงดัน Vgs บน MOSFET-Die ภายในจริงในระหว่างกระบวนการปิด หากแรงดันบน L_SL มีขนาดใหญ่พอ มันอาจทำให้แรงดันบน MOSFET-Die ภายในเปลี่ยนจากลบเป็นบวกได้ ซึ่งนำไปสู่การเปิดผิดพลาด! ดังนั้น L_SL จะทำให้กระบวนการปิดช้าลง ซึ่งจะทำให้การสูญเสียในการปิดเพิ่มขึ้น  
    รูปที่ 9  
ภาพด้านล่างใช้แพ็คเกจ TO247-4 เนื่องจากมีสาย Kelvin-Source แยกต่างหาก แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำบน L_SL จึงไม่ส่งผลกระทบต่อวงจรขับ ทำให้ความเร็วในการสวิตช์เพิ่มขึ้นและลดการสูญเสียจากการสวิตช์ลง  
   

รูป 10

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้คัดลอกมาจาก "INSEMI" บทความนี้เป็นเพียงความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียนเท่านั้น และไม่ได้แสดงถึงความคิดเห็นของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม การคัดลอกและเผยแพร่มีจุดประสงค์เพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับก่อนนำไปเผยแพร่ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

หมายเลขโทรศัพท์ของบริษัท: +86-0755-83044319
โทรสาร: +86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่

QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว

ที่อยู่: ห้อง 809 อาคาร C อาคารเทคโนโลยีจ้านเทา เลขที่ 1079 ถนนหมินจือ เขตหลงหัวใหม่ เมืองเซินเจิ้น