Üçüncü nesil bir yarı iletken malzeme olan SiC, her açıdan Si tabanlı malzemelere göre üstün performans sergilemektedir. Geleneksel Si yarı iletken malzemelere dayalı güç cihazlarıyla karşılaştırıldığında, yeni nesil SiC güç cihazları hızlı anahtarlama hızı, yüksek bloke voltajı ve güçlü yüksek sıcaklık çalışma yeteneği avantajlarına sahiptir ve geleceğin güç elektroniği teknolojisinin gelişim gereksinimlerini daha iyi karşılayabilir.
Şanghay Zhanxin Elektronik, üç yıllık kapsamlı araştırma ve geliştirme çalışmaları sonucunda, Çin'de 6 inçlik SiC MOSFET ve SBD süreçlerinin yanı sıra SiC MOSFET sürücü çiplerini de geliştiren ilk şirket oldu. Bu makale, Zhanxin Elektronik'in SiC güç cihazlarının güvenilirliğini ve uygulamalarını açıklayarak, kullanıcıların kullanım öncesinde gönül rahatlığıyla kullanabilmelerini ve kullanım sırasında endişelenmemelerini, böylece daha iyi ürünler üretebilmelerini amaçlamaktadır.  
  1. Şanghay Zhanxin Elektronik'in SiC MOSFET'inin pozitif ve negatif voltaj stres limitlerine ilişkin verileri mevcut mu?  
Zhanxin Electronics'in SiC MOSFET'lerinin kapı gerilimi spesifikasyonu (+20V/-5V), JEDEC'e uygun olarak sıkı bir şekilde sertifikalandırılmıştır ve ürünün oda sıcaklığında en az 10 yıl çalışma ömrüne sahip olmasını sağlar. Kapı gerilimi spesifikasyonunu aşan uygulamalar için iki ana husus dikkate alınmalıdır.  
Öncelikle, kapının ömür modeli esas olarak SiO2'nin TDDB (Zaman Bağımlı Dielektrik Bozunma) modeli tarafından belirlenir. SiC üzerine yetiştirilen SiO2 dielektrik tabakasının kalitesinin Si üzerine yetiştirilen SiO2 kadar iyi olduğunu gösteren çok sayıda veri zaten mevcuttur. Bu nedenle, TDDB açısından bakıldığında, 20V kapı dielektriğinin dayanabileceği daha yüksek voltaj ve bu voltajdaki ömür modeli Si'ninkine benzerdir. MOSFET ve IGBT için de durum aynıdır; Zhanxin Electronics, SiO2 kapı dielektriği prosesini ve cihaz ömür modelini oluşturmak için Zhanxin'in kendi SiC MOSFET'ini kullanmaktadır.  
İkinci olarak, SiC MOSFET ve Si MOS ürünleri (MOSFET ve IGBT) arasındaki en büyük fark ve zorluk, PBTI (Pozitif Bias Sıcaklık Kararsızlığı) ve NBTI (Negatif Bias Sıcaklık Kararsızlığı)'dır; pozitif bias eklendikten sonra cihazın Vth değeri artarken, negatif bias eklendikten sonra azalır; JEDEC sertifikasyon koşulları altında, cihazın ömrü, gate voltajı spesifikasyonu dahilinde çalıştırılarak garanti edilebilir; gate voltajı spesifikasyonunu aşan uygulama ömrü modelleri için Zhanxin Electronics, ekipman üretimi ve detaylı planlama ve araştırma yapmaktadır; genel olarak, pozitif gate voltajı 25V'u aşmadığı ve negatif gate voltajı -10V'un altına düşmediği sürece, DutyCycle'ın nispeten küçük darbeleri, cihazın performansında onarılamaz hasara neden olmaz. Spesifik nicel ilişki ve ömür modeli, ilk araştırma turunun sonunda verilecektir.  
  2. Şanghay Zhanxin Elektronik, SiC MOSFET uygulamalarında negatif sürüş voltajı oluşturma sorununu nasıl çözüyor? Bu yaklaşım güvenilir mi?  
Zhanxin Electronics, entegre negatif voltaj sürücüsüne sahip 8 pinli pakette, sektörün ilk 35V/4A sürücüsü IVCR1401D/IVCR1401DP'yi geliştirdi. Sürücü çalışmaya başladıktan sonra, NEG çıkışı GND'ye çekilir ve dahili akım kaynağı negatif voltaj kapasitörünü hızla şarj eder. Negatif voltaj oluşturulduktan sonra, NEG pini serbest bırakılır ve dahili negatif voltaj regülatörü, normal çalışma için negatif voltajı -3.5V'a ayarlayabilir. Bundan sonra, gate sürücü sinyali NEG, (VCC-3.5V) ve -3.5 arasında geçiş yapar. Aşağıdaki şekil, negatif voltaj kapasitörünün negatif voltaj oluşturma sürecini göstermektedir. 1uF'lik bir kapasitörün şarj edilmesi yaklaşık 28us sürer. Negatif voltaj kapasitöründeki dalgalanmayı azaltmak için, Cg kapasitesinin 100 katından fazla olan X7R kapasitörler kullanılmalıdır, böylece negatif voltaj güvenilir ve kararlı bir şekilde oluşturulabilir ve sürülebilir. Şirketimizin yaşlandırma test sistemi devresi bu çip kullanılarak doğrulanmıştır. 1000V/20A/125℃ çalışma koşullarında SiC MOSFET'i sürebilir. 1000 saatlik sürekli çalışmadan sonra bile istikrarlı ve güvenilir bir şekilde sürülebilir.  
    şekil 1      3. Şanghay Zhanxin Elektronik, SiC MOSFET uygulamalarındaki negatif voltaj yükselmeleri sorununu nasıl çözüyor? Negatif voltaj yükselmesinin oluşum mekanizması nedir? Bununla başa çıkmanın yolları nelerdir?  
SiC MOSFET'ler, geleneksel Si güç cihazlarına göre daha hızlı anahtarlama hızına sahiptir. Bununla birlikte, bu hızlı geçiş süreci, SiC MOSFET'lerin anahtarlama performansını, özellikle sürücü dalga formunda yansıdığı gibi, döngünün parazitik parametrelerine karşı daha hassas hale getirecektir. Aşağıdaki şekil, Miller etkisi tarafından üretilen voltaj yükselmesini göstermektedir. SiC MOSFET'lerin yarım köprü uygulamasında, alt tüp kapalı kalır. Üst tüp kapatıldığında, daha büyük bir dv/dt oluşacaktır. Güç döngüsündeki ve sürücü döngüsündeki parazitik endüktans nedeniyle, daha büyük bir Miller akımı oluşacaktır. Bu akım, sürücü direnci RG üzerinde bir voltaj düşüşü oluşturacak ve dalga formunda negatif bir VGS yükselmesine neden olacaktır; benzer şekilde, üst tüp açıldığında, daha büyük bir dv/dt de oluşacaktır. Döngüde bulunan parazitik endüktans nedeniyle, daha büyük bir Miller akımı da oluşacaktır. Bu akım, sürücü direnci RG üzerinde bir voltaj düşüşü oluşturacak ve VGS dalga formunda pozitif bir yükselme oluşmasına neden olacaktır.     şekil 2  
  Tahrik sistemindeki negatif basınç artışını azaltmak için çeşitli öneriler mevcuttur:  
1) Miller etkisinin RG üzerindeki voltaj düşüşünü azaltmak ve böylece Miller tepe voltajını düşürmek için, aşağıdaki şekilde Q1, Q2'de gösterildiği gibi, sürücü direnci RG'ye paralel olarak arka arkaya bir MOS transistörü (önerilen model: QS5K2TR) bağlayın;
  Şekil 3 2) Sürücü çipini, sürücü devresindeki parazitik endüktansı olabildiğince azaltmak için SiC MOSFET'in kapısına mümkün olduğunca yakın yerleştirin; 3) Yerleşimde güç devresinin alanını en aza indirin ve güç devresi ile sürücü devresindeki ortak kaynak endüktansını en aza indirin; 4) Koşullar izin verdiğinde, TO247-4 paketli SiC MOSFET kullanın ve cihaz pinlerinden kaynaklanan parazitik endüktansı azaltmak için mümkün olduğunca Kelvin sürücüsü kullanın.  
  4. Shanghai Zhanxin Electronics, SiC MOSFET uygulamalarındaki anahtarlama salınımı problemini nasıl çözüyor?  
SiC MOSFET salınım probleminde en kritik nokta, öncelikle sürücü devresi salınım problemini çözmek ve sürücü sinyalinin salınımından kaynaklanan salınımı önlemektir. Sürücü döngüsü salınım problemini çözmek için, parazitik endüktansı ve salınımı olabildiğince azaltmak amacıyla sürücü çipi, SiC MOSFET'in kapısına mümkün olduğunca yakın yerleştirilmelidir. Aşağıda iki resim bulunmaktadır. Üstteki resim, sürücü çipi SiC MOSFET'ten uzakta olduğunda elde edilen test dalga formunu, alttaki resim ise daha yakın olduğunda elde edilen test dalga formunu göstermektedir. İki şekildeki açık mavi dalga formu Vgs dalga formu, sarı ise Vds dalga formudur. Soldaki resimde Miller tepe noktası 19.2V kadar yüksekken, sağdaki resimde Miller tepe noktası sadece 4.6V'tur. Bu kadar büyük bir iyileşmenin ana nedeni, sürücü IC'nin SiC MOSFET'e nispeten yakın olmasıdır.  
    şekil 4  
Şimdi, SiC MOSFET'in yerleşimiyle ilgili bazı noktalara değineceğiz. İyi bir yerleşim, salınımı azaltmaya yardımcı olur. İlk olarak, sürücü IC'si, sürücü devresi alanının mümkün olduğunca küçük olmasını sağlamak için SiC MOSFET'e mümkün olduğunca yakın olmalıdır. İkincisi, yüksek frekanslı salınım, PCB ile MOSFET'in kaçak endüktansı ve kaçak kapasitansı (esas olarak Coss) arasındaki salınımdan kaynaklanır. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, kırmızı noktalı çizgi güç döngüsünün alanını, yeşil noktalı çizgi ise sürücü döngüsünün alanını göstermektedir. Bu alanlar ne kadar küçük olursa, SiC MOSFET anahtarlama yaptığında salınım da o kadar küçük olur.  
    şekil 5   5. SiC MOSFET sürücüsü ile Si IGBT sürücüsü arasındaki benzerlikler ve farklılıklar nelerdir? SiC MOSFET, IGBT eklenti sürücü kartı yöntemi kullanılarak sürülebilir mi?  
Kullanılamaz. Sürücü kartı kullanıldığı için, sürücü devresinin parazitik endüktansı nispeten büyüktür; bu da sönümleme için daha büyük bir sürücü direnci gerektirir, bu da anahtarlama hızının yavaşlamasına ve kayıpların artmasına neden olur. Sönümleme için daha büyük bir sürücü direnci kullanılmazsa, Vgs dalga formu nispeten büyük bir salınıma neden olur, bu da Vds salınımına yol açarak anahtarlama kayıplarını artırır. Ek olarak, nispeten büyük parazitik endüktansın kendisi sürücü devresinin empedansını artırır ve sürücü devresinin Miller karşıtı yeteneği zayıflar, bu da daha yavaş anahtarlama hızına ve artan kayıplara neden olur.  
  6. SiC MOSFET'leri paralel bağlarken nelere dikkat etmeliyiz?  
Her bir SiC MOSFET'in sürücü devresinin ve ana güç devresinin mümkün olduğunca simetrik olmasını sağlamak için, sürücü çip çıkışından her bir SiC MOSFET'in kapısına olan mesafenin aynı olması gerekir. MOSFET'ler, tutarlılığı artırmak için ayrı bir Rg direncine ihtiyaç duyar. Paralel MOSFET'ler bir sürücü direncini paylaşırsa, en düşük eşik voltajına sahip MOSFET önce açılır ve diğer MOSFET'lerin Vg'leri eşik voltajında ​​sabitlenir; bu da yalnızca en düşük eşik voltajına sahip MOSFET'in açılmasına ve diğer tüm tüplerin açılmamasına neden olur. Kapatma işlemi için de aynı durum geçerlidir. En yüksek eşik voltajına sahip MOSFET önce kapatılır ve MOSFET kapatma işlemini tamamlayana kadar voltaj eşik voltajında ​​sabitlenir. Tüm MOSFET'leri sürmek için tek bir sürücü direnci kullanmanın, anahtarlama anlarında nispeten büyük dinamik düzensiz akım akışına neden olacağı görülebilir. Bu amaçla, her bir MOSFET için ayrı bir Rg yapılandırılmalıdır, böylece her bir MOSFET'in Vgs'si birbirinden bağımsız hale getirilir ve dinamik akım paylaşımı artırılır. Statik akım paylaşımı özellikleri esas olarak MOSFET'in kendi parametre tutarlılığı ile sağlanır. Doğrudan paralel bağlantı için tutarlı parametrelere sahip MOSFET'ler dikkatlice seçilmelidir.
 
    şekil 6  
  8. SiC MOSFET TO247-4'ün parazitik endüktansı TO247-3'e göre ne kadar daha iyidir? Belirli parametreler var mı?  
CREE tarafından yayınlanan verilere göre, TO247-4 paketinin anahtarlama kaybı, TO247-3 paketinin (600V/40A) anahtarlama kaybının yalnızca %30'u kadardır. Bu da TO247-4 paketinin avantajlarının oldukça belirgin olduğunu göstermektedir.  
    şekil 7  
TO247-3 paketinin içindeki ortak kaynak indüktörü, MOSFET'in açılma ve kapanma hızını yavaşlatarak anahtarlama kayıplarını artırır. Ancak, TO247-4'ün sürüş için ayrı bir kaynak ucu vardır, böylece dahili ortak kaynak indüktörü atlanır ve anahtarlama işlemine olan etkisi önlenir, böylece anahtarlama kayıplarının azaltılması amacı gerçekleştirilir. Öncelikle, açılma sürecine bakalım. Tipik bir çift darbe deneyinde, bu, üst tüpün açılıp kapatılmasıyla sağlanır. Esas olarak üst tüpün Vgs döngüsüne odaklanıyoruz. Üst tüp açıldığında, Q1'in Id'si artar, ardından L_SL tarafından indüklenen voltaj yukarı doğru pozitif ve aşağı doğru negatiftir ve voltajı harici sürüş voltajıyla aynı polariteye (pozitif voltaj) sahiptir, bu da dahili MOSFET-Die üzerindeki Vgs voltajının azalmasına ve böylece MOSFET'in açılma sürecinin yavaşlamasına neden olur.  
    şekil 8  
Şimdi de üst tüpün kapanma sürecine bakalım. Q1 kapanır ve bu da Id'nin azalmasına neden olur. L_SL tarafından indüklenen voltaj üstte negatif, altta pozitiftir. Bu voltaj, harici sürücü voltajının (negatif voltaj veya sıfır voltaj) zıt kutbuna sahiptir ve bu da kapanma işlemi sırasında dahili MOSFET-Die üzerindeki Vgs voltajını azaltacaktır. L_SL üzerindeki voltaj yeterince büyükse, dahili MOSFET-Die üzerindeki voltajın negatiften pozitife değişmesine bile neden olabilir ve bu da yanlış açılmaya yol açabilir! Dolayısıyla L_SL, kapanma işlemini yavaşlatarak kapanma kaybını artıracaktır.  
    şekil 9  
Aşağıdaki şekilde TO247-4 paketi kullanılmıştır. Ayrı bir Kelvin-Kaynak ucu bulunduğundan, L_SL üzerindeki indüklenen voltaj sürücü devresini etkileyemez, bu da anahtarlama hızını artırır ve anahtarlama kayıplarını azaltır.  
   

Şekil 10

Yasal Uyarı: Bu makale "INSEMI"den alınmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro'nun ve sektörün görüşlerini yansıtmaz. Yalnızca fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yeniden basım ve paylaşım içindir. Yeniden basım için lütfen orijinal kaynağı ve yazarı belirtin. Herhangi bir ihlal durumunda, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.

Şirket telefon numarası: +86-0755-83044319
Faks: +86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Yönetici Li

QQ: 332496225 Yönetici Qiu

Adres: Shenzhen, Longhua Yeni Bölgesi, Minzhi Caddesi No. 1079, Zhantao Teknoloji Binası, C Binası, Oda 809