Là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, SiC có hiệu năng vượt trội so với các vật liệu gốc Si ở mọi khía cạnh. So với các thiết bị điện tử công suất truyền thống dựa trên vật liệu bán dẫn Si, các thiết bị điện tử công suất SiC mới nổi có ưu điểm về tốc độ chuyển mạch nhanh, điện áp chặn cao và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao mạnh mẽ, và có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu phát triển của công nghệ điện tử công suất trong tương lai.
Sau ba năm nghiên cứu và phát triển chuyên sâu cùng nỗ lực không ngừng, Công ty Điện tử Zhanxin Thượng Hải đã trở thành công ty đầu tiên tại Trung Quốc nắm vững quy trình sản xuất MOSFET SiC 6 inch và SBD, cũng như chip điều khiển MOSFET SiC. Bài viết này sẽ giải thích về độ tin cậy và ứng dụng của các thiết bị điện SiC của Zhanxin Electronics, giúp người dùng yên tâm trước khi sử dụng và không lo lắng trong quá trình sử dụng, từ đó tạo ra những sản phẩm tốt hơn.  
  1. Liệu MOSFET SiC của Shanghai Zhanxin Electronics có dữ liệu về giới hạn chịu điện áp dương và âm không?  
Thông số điện áp cổng của MOSFET SiC của Zhanxin Electronics (+20V/-5V) được chứng nhận nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn JEDEC, đảm bảo tuổi thọ hoạt động của sản phẩm không dưới 10 năm ở nhiệt độ phòng. Đối với các ứng dụng vượt quá thông số điện áp cổng, cần xem xét hai yếu tố chính.  
Thứ nhất, mô hình tuổi thọ của chính cổng chủ yếu được xác định bởi mô hình TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) của SiO2. Đã có rất nhiều dữ liệu cho thấy chất lượng của lớp điện môi SiO2 được nuôi cấy trên SiC tốt tương đương với SiO2 được nuôi cấy trên Si. Do đó, từ góc độ TDDB, điện áp cao hơn mà lớp điện môi cổng 20V có thể chịu được và mô hình tuổi thọ ở điện áp này tương tự như của Si. MOSFET và IGBT cũng vậy; Zhanxin Electronics đang sử dụng MOSFET SiC do chính Zhanxin sản xuất để thiết lập quy trình điện môi cổng SiO2 và mô hình tuổi thọ thiết bị.  
Thứ hai, sự khác biệt và thách thức lớn nhất giữa các sản phẩm SiC MOSFET và Si MOS (MOSFET và IGBT) là hiện tượng PBTI (Positive Bias Temperature Instability) và NBTI (Negative Bias Temperature Instability) (hiện tượng mất ổn định nhiệt độ do điện áp phân cực âm). Điện áp Vth của thiết bị sẽ tăng lên sau khi thêm điện áp phân cực dương, và sẽ giảm xuống sau khi thêm điện áp phân cực âm; theo điều kiện chứng nhận JEDEC, tuổi thọ của thiết bị có thể được đảm bảo bằng cách hoạt động trong phạm vi điện áp cổng cho phép; đối với các mô hình tuổi thọ ứng dụng vượt quá điện áp cổng cho phép, Zhanxin Electronics đang chế tạo thiết bị và tiến hành lập kế hoạch và nghiên cứu chi tiết; nói chung, miễn là điện áp cổng dương không vượt quá 25V và điện áp cổng âm không giảm xuống dưới -10V, các xung nhỏ của DutyCycle sẽ không gây ra hư hỏng không thể khắc phục đối với hiệu năng của thiết bị. Mối quan hệ định lượng cụ thể và mô hình tuổi thọ sẽ được đưa ra vào cuối vòng nghiên cứu đầu tiên.  
  2. Công ty Shanghai Zhanxin Electronics giải quyết vấn đề thiết lập điện áp dẫn âm trong các ứng dụng MOSFET SiC như thế nào? Phương pháp này có đáng tin cậy không?  
Công ty Điện tử Zhanxin đã phát triển bộ điều khiển 35V/4A đầu tiên trong ngành sử dụng chip IVCR1401D/IVCR1401DP trong gói 8 chân với mạch điều khiển điện áp âm tích hợp. Sau khi bộ điều khiển khởi động, đầu ra NEG được kéo xuống GND, và nguồn dòng bên trong nhanh chóng sạc tụ điện áp âm. Sau khi điện áp âm được thiết lập, chân NEG được nhả ra, và bộ điều chỉnh điện áp âm bên trong có thể điều chỉnh điện áp âm xuống -3.5V để hoạt động bình thường. Sau đó, tín hiệu điều khiển cổng NEG chuyển đổi giữa (VCC-3.5V) và -3.5V. Hình dưới đây cho thấy quá trình thiết lập điện áp âm của tụ điện áp âm. Mất khoảng 28us để sạc một tụ điện 1uF. Nên sử dụng tụ điện X7R có điện dung lớn hơn 100 lần Cg để giảm gợn sóng trên tụ điện áp âm, đảm bảo điện áp âm được thiết lập và điều khiển một cách đáng tin cậy và ổn định. Mạch hệ thống kiểm tra lão hóa của công ty chúng tôi đã được xác minh bằng chip này. Nó có thể điều khiển MOSFET SiC trong điều kiện hoạt động 1000V/20A/125℃. Sau 1000 giờ hoạt động liên tục, nó vẫn có thể hoạt động ổn định và đáng tin cậy.  
    Hình 1      3. Công ty TNHH Điện tử Thượng Hải Zhanxin giải quyết vấn đề xung điện áp âm trong ứng dụng MOSFET SiC như thế nào? Cơ chế tạo ra xung điện áp âm là gì? Có những phương pháp nào để xử lý vấn đề này?  
MOSFET SiC có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn so với các thiết bị công suất Si truyền thống. Tuy nhiên, quá trình chuyển tiếp nhanh này sẽ làm cho hiệu suất chuyển mạch của MOSFET SiC nhạy cảm hơn với các thông số ký sinh của mạch vòng, đặc biệt là thể hiện rõ trong dạng sóng điều khiển. Hình dưới đây cho thấy xung điện áp được tạo ra bởi hiệu ứng Miller. Trong ứng dụng bán cầu của MOSFET SiC, bóng bán dẫn dưới vẫn tắt. Khi bóng bán dẫn trên tắt, một dv/dt lớn hơn sẽ được tạo ra. Do điện cảm ký sinh trong mạch vòng công suất và mạch vòng điều khiển, một dòng điện Miller lớn hơn sẽ được tạo ra. Dòng điện này sẽ tạo ra sự sụt giảm điện áp trên điện trở điều khiển RG, dẫn đến VGS xuất hiện một xung âm trên dạng sóng; tương tự, khi bóng bán dẫn trên bật, một dv/dt lớn hơn cũng sẽ được tạo ra. Do điện cảm ký sinh có trong mạch vòng, một dòng điện Miller lớn hơn cũng sẽ được tạo ra. Dòng điện này sẽ tạo ra sự sụt giảm điện áp trên điện trở điều khiển RG, dẫn đến sự xuất hiện một xung dương trên dạng sóng VGS.     Hình 2  
  Để giảm hiện tượng tăng đột ngột áp suất âm của bộ truyền động, có một số gợi ý như sau:  
1) Mắc song song một transistor MOS ngược chiều (mẫu đề xuất: QS5K2TR) với điện trở điều khiển RG để giảm sụt áp do hiệu ứng Miller gây ra trên RG, từ đó giảm điện áp đỉnh Miller, như hình Q1, Q2 bên dưới;
  Hình 3 2) Đặt chip điều khiển càng gần cổng của MOSFET SiC càng tốt để giảm thiểu điện cảm ký sinh trong vòng điều khiển; 3) Giảm thiểu diện tích của vòng nguồn trong bố cục và giảm thiểu điện cảm nguồn chung trong vòng nguồn và vòng điều khiển; 4) Khi điều kiện cho phép, hãy sử dụng MOSFET SiC đóng gói TO247-4 và sử dụng chế độ điều khiển Kelvin càng nhiều càng tốt để giảm điện cảm ký sinh do các chân thiết bị gây ra.  
  4. Shanghai Zhanxin Electronics giải quyết vấn đề dao động chuyển mạch trong các ứng dụng SiC MOSFET như thế nào?  
Điều quan trọng nhất trong vấn đề dao động của MOSFET SiC là trước tiên phải giải quyết vấn đề dao động của mạch điều khiển và ngăn chặn dao động do dao động của tín hiệu điều khiển gây ra. Để giải quyết vấn đề dao động vòng điều khiển, chip điều khiển cần được đặt càng gần cổng của MOSFET SiC càng tốt để giảm thiểu điện cảm ký sinh và dao động. Có hai hình ảnh bên dưới. Hình ảnh phía trên cho thấy dạng sóng thử nghiệm khi chip điều khiển ở xa MOSFET SiC, và hình ảnh phía dưới cho thấy dạng sóng thử nghiệm khi nó ở gần hơn. Dạng sóng màu xanh da trời trong cả hai hình là dạng sóng Vgs, và màu vàng là dạng sóng Vds. Trong hình bên trái, đỉnh Miller cao tới 19.2V, trong khi ở hình bên phải, đỉnh Miller chỉ là 4.6V. Lý do chính cho sự cải thiện lớn như vậy là do IC điều khiển được đặt tương đối gần MOSFET SiC.  
    Hình 4  
Tiếp theo, chúng ta sẽ giải thích một số điểm cần lưu ý về bố trí mạch MOSFET SiC. Bố trí tốt sẽ giúp giảm dao động. Thứ nhất, IC điều khiển nên được đặt càng gần MOSFET SiC càng tốt để đảm bảo diện tích mạch điều khiển nhỏ nhất có thể. Thứ hai, dao động tần số cao là do sự dao động giữa PCB và điện cảm ký sinh cũng như điện dung ký sinh (chủ yếu là Coss) của MOSFET. Như hình dưới đây, đường chấm đỏ là vùng của mạch vòng nguồn, và đường chấm xanh là vùng của mạch vòng điều khiển. Diện tích các vùng này càng nhỏ thì dao động khi MOSFET SiC chuyển mạch càng nhỏ.  
    Hình 5   5. Điểm giống và khác nhau giữa mạch điều khiển MOSFET SiC và mạch điều khiển IGBT Si là gì? Có thể điều khiển MOSFET SiC bằng phương pháp sử dụng mạch điều khiển IGBT cắm ngoài không?  
Không thể sử dụng được. Vì sử dụng bo mạch điều khiển, điện cảm ký sinh của mạch điều khiển tương đối lớn, đòi hỏi điện trở điều khiển lớn hơn để giảm chấn, dẫn đến tốc độ chuyển mạch chậm lại và tổn hao tăng lên. Nếu không sử dụng điện trở điều khiển lớn hơn để giảm chấn, dạng sóng Vgs sẽ gây ra dao động tương đối lớn, dẫn đến dao động Vds, do đó làm tăng tổn hao chuyển mạch. Ngoài ra, bản thân điện cảm ký sinh tương đối lớn làm tăng trở kháng của mạch điều khiển, và khả năng chống hiệu ứng Miller của mạch điều khiển bị suy yếu, dẫn đến tốc độ chuyển mạch chậm hơn và tổn hao tăng lên.  
  6. Chúng ta cần chú ý điều gì khi mắc song song các MOSFET SiC?  
Để đảm bảo mạch điều khiển của mỗi MOSFET SiC và mạch nguồn chính đối xứng nhất có thể, khoảng cách từ đầu ra của chip điều khiển đến cực cổng của mỗi MOSFET SiC cần phải bằng nhau. MOSFET cần một điện trở điều khiển riêng biệt (Rg) để tăng tính nhất quán. Nếu các MOSFET mắc song song dùng chung một điện trở điều khiển, MOSFET có điện áp ngưỡng nhỏ nhất sẽ được bật trước, và điện áp Vgs của các MOSFET khác sẽ bị kẹp ở điện áp ngưỡng, dẫn đến chỉ MOSFET có điện áp ngưỡng nhỏ nhất được bật, và tất cả các MOSFET khác không được bật. Điều tương tự cũng đúng với quá trình tắt. MOSFET có điện áp ngưỡng cao nhất sẽ được tắt trước, và điện áp được kẹp ở điện áp ngưỡng cho đến khi MOSFET hoàn tất quá trình tắt. Có thể thấy rằng việc sử dụng một điện trở điều khiển để điều khiển tất cả các MOSFET sẽ gây ra dòng điện không đều động tương đối lớn tại các thời điểm chuyển mạch. Để đạt được mục đích này, cần phải cấu hình một điện trở Rg riêng cho mỗi MOSFET, sao cho điện áp Vgs của mỗi MOSFET được tách rời và việc chia sẻ dòng điện động được tăng cường. Đặc tính chia sẻ dòng điện tĩnh chủ yếu đạt được nhờ tính nhất quán về thông số của chính MOSFET. Cần phải lựa chọn cẩn thận các MOSFET có thông số nhất quán để kết nối song song trực tiếp.
 
    Hình 6  
  8. Độ tự cảm ký sinh của MOSFET SiC TO247-4 tốt hơn TO247-3 bao nhiêu? Có thông số cụ thể nào không?  
Theo dữ liệu do CREE công bố, tổn hao chuyển mạch của gói TO247-4 chỉ bằng 30% so với tổn hao chuyển mạch của gói TO247-3 (600V/40A). Có thể thấy, ưu điểm của gói TO247-4 là rất rõ ràng.  
    Hình 7  
Cuộn cảm nguồn chung bên trong vỏ TO247-3 sẽ làm chậm tốc độ bật và tắt của MOSFET, do đó làm tăng tổn hao chuyển mạch. Tuy nhiên, TO247-4 có dây dẫn nguồn riêng biệt để điều khiển, do đó bỏ qua cuộn cảm nguồn chung bên trong và tránh ảnh hưởng của cuộn cảm nguồn chung bên trong đến quá trình chuyển mạch, từ đó đạt được mục đích giảm tổn hao chuyển mạch. Trước tiên, hãy xem xét quá trình bật. Trong một thí nghiệm xung kép điển hình, quá trình này được thực hiện bằng cách bật và tắt ống trên. Chúng ta chủ yếu tập trung vào vòng Vgs của ống trên. Khi ống trên được bật, Id của Q1 tăng lên, sau đó điện áp cảm ứng bởi L_SL là dương hướng lên và âm hướng xuống, và điện áp của nó có cùng cực tính với điện áp điều khiển bên ngoài (điện áp dương), điều này làm cho điện áp Vgs trên MOSFET-Die bên trong giảm xuống, do đó làm chậm quá trình bật MOSFET.  
    Hình 8  
Tiếp theo, chúng ta hãy xem xét quá trình tắt của ống phía trên. Q1 tắt, làm cho Id giảm. Điện áp do L_SL tạo ra có giá trị âm ở phía trên và dương ở phía dưới. Điện áp này có cực tính ngược với điện áp điều khiển bên ngoài (điện áp âm hoặc điện áp bằng không), điều này sẽ làm giảm điện áp Vgs trên MOSFET-Die bên trong trong quá trình tắt. Nếu điện áp trên L_SL đủ lớn, nó thậm chí có thể làm cho điện áp trên MOSFET-Die bên trong thay đổi từ âm sang dương, dẫn đến việc bật nhầm! Vì vậy, L_SL sẽ làm chậm quá trình tắt, do đó làm tăng tổn thất khi tắt.  
    Hình 9  
Hình dưới đây sử dụng gói TO247-4. Do có dây dẫn Kelvin-Source riêng biệt, điện áp cảm ứng trên L_SL không ảnh hưởng đến mạch điều khiển, nhờ đó tăng tốc độ chuyển mạch và giảm tổn hao chuyển mạch.  
   

Hình 10

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "INSEMI". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả và không đại diện cho quan điểm của Sacco Micro hay toàn ngành. Bài viết chỉ được phép đăng lại và chia sẻ để hỗ trợ bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả khi đăng lại. Nếu phát hiện vi phạm bản quyền, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ.

Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li

QQ: 332496225 Quản lý Qiu

Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến