Använd kiselkarbidbaserade MOSFET-enheter för att effektivisera effektomvandling.

Större energibehov hos utrustning, striktare krav från myndigheter och striktare standarder beträffande effektivitet och EMI, ger behov av switchande kraftelektronik med högre nyttjandegrad och bredare driftområde. Samtidigt förväntas konstruktörerna hitta sätt att minska kostnaderna och spara utrymme. Med tanke på ovanstående behövs ett alternativ till de klassiska kiselbaserade MOSFET-enheterna (Si-MOSFET-enheter).

Kiselkarbid (SiC) har blivit ett tydligt alternativ, nu när tekniken har mognat till en tredje generation. SiC-FET-enheter erbjuder många prestandafördelar, särskilt med avseende på verkningsgrad, tillförlitlighet, värmehantering och storlek. Enheterna används i ett brett effektspektrum och kräver inga radikala förändringar av konstruktionstekniken, endast smärre justeringar.

I den här artikeln jämför vi kisel (Si) med kiselkarbid (SiC) och presenterar ett antal SiC-enheter från Wolfspeed. Vi visar också hur man börjar designa med dem.

SiC-baserade kontra Si-baserade MOSFET-enheter

För det första är det viktigt att vara tydlig kring teknik och terminologi: SiC-FET-enheter är MOSFET-enheter, precis som deras kiselbaserade föregångare. I en vidare bemärkelse har de en likadan inre fysisk struktur, med en source-, en drain- och en gateanslutning.

Skillnaden är, vilket framgår av benämningen, att SiC-FET-enheter använder kiselkarbid som basmateral i stället för enbart kisel. Många i branschen föredrar att utelämna ”MOSFET-delen” och kalla dem för enbart SiC-enheter. I den här artikeln kallar vi dem för ”SiC-FET-enheter”.

Varför använda kiselkarbid (SiC) som material? Av olika djupa fysikaliska skäl har kiselkarbid tre viktiga elektriska egenskaper som gör att materialet skiljer sig väsentligt från kisel. Var och en av dessa egenskaper ger ett antal driftfördelar och vissa mindre tydliga fördelar (figur 1).

Figur 1: Ungefärlig jämförelse för huvudsakliga materialegenskaper för solida SiC, Si och GaN. Jämfört med kisel, har kiselkarbid högre kritisk överslagsnivå, högre termisk konduktivitet och bredare bandgap. (Bildkälla: Researchgate)

Dessa är:

• Högre kritisk elektrisk fältspänning för överslag, ca 2,8 megavolt per centimeter (Mvolt/cm) i stället för 0,3 Mvolt/cm, så att drift vid en given spänning kan ske med ett mycket tunnare skikt, vilket minskar resistansen betydligt.
• Högre termisk konduktivitet, vilket ger högre strömdensitet i tvärsnittet.
• Bredare bandgap (energidifferensen (i eV) mellan valensbandets topp och ledningsbandets botten i halvledare (och isolatorer), vilket ger lägre läckström vid höga temperaturer. Av det här skälet brukar kiselkarbiddioder och FET-enheter ofta bära namn som innefattar förkortningen ”WBG” (wide bandgap, brett bandgap).

Det här innebär, i grova drag, att kiselbaserade enheter – jämfört med kiselenheter – kan blockera spänningar som är upp till tio gånger större, och att de kan koppla om ca tio gånger snabbare med en on-resistans som är högst hälften vid 25 °C. Samtidigt klarar de mycket högre drifttemperaturer – 200 °C i stället för 125 °C – vilket förenklar termisk design och hantering.

Gatedrivern kritisk för att nyttja fördelarna

En effektenhet fungerar inte utan en gatedriver, som översätter digitala lågnivåstyrsignaler till nödvändiga ström- och spänningssignaler och den timing som krävs av effektenheten. Gatedrivern ger också ett extra skydd mot de flesta typer av externa fel. För SiC-FET-enheter måste drivern ha ytterligare funktioner, för att kunna erbjuda följande:

• Minimera ledningsförmågan och switchförluster, liksom gateförluster. Sådana förluster inkluderar frånslags- och tillslagsenergi, Miller-effekten och gatedriverns strömkrav. Frånslagsenergin beror på gateresistansen och gate-till-source-spänningen i frånslaget läge. För att minska dessa måste mer ström tas från gaten. Ett sätt att göra det är att drivern applicerar en negativ bias på gatespänningen under frånslagstiden. På samma sätt minskar man tillslagsenergin genom att minska gateresistansen.
• Minimera Miller-effekten och dess negativa konsekvenser, där parasitisk kapacitans – under vissa förhållanden och i vissa konfigurationer – kan orsaka oavsiktligt tillslag. Sådan Miller-inducerad tillslagning ökar den omvända återställningsenergin och förlusterna. En lösning är att använda en ”Miller-skyddsfunktion” som kontrollerar drivströmmen vid switchning av effektsteget.
• Erbjuda erforderlig sink- och sourceström vid lämpliga spänningar. För kiselkarbid-enheter krävs generellt en högre positiv bias-gate-drivning (+20 volt) än för kiselbaserade MOSFET-enheter. Detta för att minimera förlusterna. Dessutom kanske det krävs en negativ OFF-gatespänning på mellan -2 och -6 volt. Nödvändig gateström bestäms med de vanliga beräkningarna, baserat på gate-laddningen (Q_g), V_DD, drainströmmen I_D, gate-till-source-spänningen och gateresistansen, och är vanligtvis några ampere. Denna ström måste ha rätt nominella värden för sink och source vid en ändringshastighet som är proportionell med SiC-FET-enhetens switchhastighet.
• Avbildning och minimering av kretskort- och utrustningsparasiter (både restinduktanser och -kapacitanser) som kan orsaka svängningar, spännings-/strömöverslängar och falsk utlösning vid de högre switchhastigheterna. Kiselbaserade MOSFET-enheter har en mindre ”strömsvans” som fungerar som dämpare, för att i någon mån minska överslängar och ringning. Kiselkarbidbaserade MOSFET-enheter saknar denna ”svans”, vilket innebär att för hög drainspänning och ringning kan orsaka problem. För att minska de här problemen krävs det omsorgsfull layout, så korta ledare som möjligt och att drivern placeras så nära sin strömförsörjning som möjligt. Bara några fåtal centimeter kan göra skillnad, eftersom restinduktanser och -kapacitanser blir kraftigare vid högre switchhastigheter hos SiC-FET-enheter. Mindre ringning ger ytterligare en fördel, eftersom det minskar de störningar som förknippas med höghastighetsswitchning både på driv- och lastsidan.

Trots de extra betänkligheterna vid drivning av SiC-MOSFET-enheter, finns det flera leverantörer som erbjuder integrerade standardkretsar för detta syfte, och kretsarnas egenskaper är då anpassade för SiC-enheter. Observera att gatedrivarna och SiC-FET-enheterna i många konstruktioner måste vara galvaniskt isolerade från lågspänningskretsarna. Det kan ske med hjälp av optik, pulstransformatorer eller kapacitiv isoleringsteknik med standardkomponenter. Isolering behövs i första hand av säkerhetsskäl, för att skydda användarna mot höga spänningar i händelse av kretsfel. Dessutom behövs isolering i många kretstopologier där MOSFET-enheten, av naturliga skäl, inte är jordad, såsom i bryggkonfigurationer.

Nya enheter med bra prestanda

Den första kommersiellt tillgängliga SiC-MOSFET-enheten, CMF20120D, lanserades av Wolfspeed i januari 2011 (Wolfspeed är kraft- och RF-divisionen av Wolfspeed. Namnet etablerades 2015). Några år dessförinnan fanns kiselkarbidplattor. Enheten var klassad för 1 200 volt/98 A med 80 mΩ on-resistans (samtliga värden vid 25 ⁰C) och fanns i ett TO-247-format. Inte långt därefter följde Wolfspeed upp med en 2^:a generation och erbjuder nu en 3^:e generation av SiC-MOSFET-enheter, kallade C3M (figur 2).

Figur 2: Jämförelse av Wolfspeeds 2^:a generations (vänster) och 3^:e generations (höger) SiC-processtruktur. Skillnaderna är små, men den totala prestandaförbättringen framgår inte av tvärsnitten. (Bildkälla: Wolfspeed)

Till exempel finns, som en av branschens första 900 volts SiC-MOSFET-plattformar, C3M0280090J-enheten. Den är optimerad för elektroniska högfrekvenstillämpningar, exempelvis växelriktare för förnybar energi, laddsystem för elfordon och industriell trefasförsörjning (tabell 1).

Tabell 1: Egenskaperna hos Wolfspeeds SiC-MOSFET C3M0280090J gör den lämplig för exempelvis växelriktare för förnybar energi, laddsystem för elfordon och industriell trefasförsörjning. (Tabellkälla: Wolfspeed)

Utöver spännings-/strömspecifikationerna har enheten följande egenskaper: optimerad för höghastighetsswitchning med låg kapacitans; den har ett lågimpedanshölje med en driver-source-anslutning (figur 3); den innefattar en snabb inbyggd diod med låg omvänd återhämtningsladdning (Qrr); den har krypning (~7 mm) mellan drain och source.

Figur 3: C3M0280090J från Wolfspeed har ett lågimpedanshölje med en driver-source-anslutning. (Bildkälla: Wolfspeed)

Denna 900-volts plattform ger möjlighet att bygga mindre och effektivare effektomvandlingssystem av nästa generation, till en kostnad som kan jämföras med kiselbaserade lösningar trots att systemet har överlägsna specifikationer. Kurvorna för säkert driftområde (SOA) ger överblick över SiC-FET-enhetens kapacitet (figur 4). När drain-till-source-spänningen (V_DS) är låg begränsas den maximala strömmen av on-resistansen. Vid måttliga V_DS-värden kan 15 A bibehållas under korta perioder.

Figur 4: SOA-kurvan för Wolfspeeds C3M0280090J visar enhetens I_DS kontra V_DS. (Bildkälla: Wolfspeed)

Höljet påverkar prestandan

Wolfspeed erbjuder också tre enheter med liknande specifikationer: C3M0075120D, C3M0075120K och C3M0075120J – men med skillnader som till stor del beror på höljet (figur 5).

Figur 5: Wolfspeed erbjuder samma 1 200-volts SiC-FET i tre olika höljen med liknande, men inte identiska specifikationer. (Bildkälla: Wolfspeed)

Siffrorna talar sitt tydliga språk, men det finns mer där bakom. Enheten med D-suffix har ett hölje med tre anslutningar (TO-247-3), medan enheten med K-suffix motsvarar ett hölje med fyra anslutningar (TO-247-4). De två enheterna, liksom ”J-suffixenheten” med sju anslutningar, har ett Kelvin-source-stift som minskar effekterna av spänningstoppar inducerade av L × di/dt i gatekretsen. Det här gör att mer spänning kan läggas på vid gate och source, vilket ger snabbare dynamisk switchning. Resultatet är att switchförlusterna kan minska 3,5 gånger när enheten mäts nära sin nominella ström.

Utvärderingskort och referensdesign accelererar framgången

En högpresterande krets för högre spänningar och större effektområden är visserligen något helt annat än en RF-design för Gigaherz-området, men det krävs fortfarande stor omsorg om detaljer för att utveckla kretsen. Varje liten egenhet hos komponenterna och layouten förstoras, och minsta problem eller faktorer som har lämnats åt slumpen kommer till uttryck i den fysiska kretsen.

För att hjälpa konstruktörerna att utvärdera SiC-FET-enheter som C3M0075120D och C3M0075120K, erbjuder Wolfspeed utvärderingssatsen KIT-CRD-3DD12P av buck-boost-typ, som ger möjlighet att undersöka kretsarnas switchhastighet (figur 6). Satsen är utformad för att vara kompatibel både med C3M0075120D (tre anslutningar) och den annars identiska C3M0075120K-enheten (fyra anslutningar). Det ger möjlighet att testa och jämföra Wolfspeeds 3:e generation (C3M) av MOSFET-enheter i olika höljen.

Figur 6: Utvärderingssatsen KIT-CRD-3DD12P ger ett behändigt sätt att utvärdera prestandan hos både C3M0075120D (med tre anslutningar och TO-247-hölje) och C3M0075120K (med fyra anslutningar). Notera den stora kylaren och toroidinduktorn som ger oöverträffade termiska egenskaper. (Bildkälla: Wolfspeed)

Utvärderingssatsen levereras i utförande med halvbrygga och gör det möjligt att tillsätta en MOSFET eller diod i den övre och undre positionen, så att kortet kan konfigureras i vanliga omvandlingstopologier såsom synkron buck eller synkron boost. Det går också att tillsätta dioder i antingen den övre eller undre positionen, så att användaren kan utvärdera en asynkron buck-topologi eller asynkron boost-topologi.

För att minska effektförlusterna levereras satsen med en lågförlustinduktor av ”sendust”. Detta magnetiska metallpulver, även känt som ”Kool Mµ”, består av 85 % järn, 9 % kisel och 6 % aluminium och används i stället för permalloy, tack vare de förbättrade specifikationerna för viktiga magnetism- och temperaturparametrar.

För den som vill designa en egen gate-driver-delkrets erbjuder Wolfspeed också CGD15SG00D2, en gate-driver-referensdesign för den 3^:e generationens SiC-FET-enheter (figur 7).

Figur 7: Den övre (vänster) och undre (höger) delen av gate-driver-referensdesignen CGD15SG00D2 – ett komplett kort med alla komponenter samt möjlighet att utvärdera TO-247-formatet med tre eller fyra anslutningar med samma SiC-MOSFET-insats. (Bildkälla: Wolfspeed)

Högnivåblockdiagrammet (figur 8) av CGD15SG00D2 visar referensdesignens funktioner, inklusive opto-kopplare (U1), integrerad gate-driver-krets (U2) och isolerad strömförsörjning (X1). Opto-kopplaren (5 000 volts AC-isolering) accepterar pulsbreddsmodulerade (PMW) signaler och ger en common-mode-immunitet på 35/50 kilovolt per mikrosekund (kV/µs) (minimum/typiskt). Andra intressanta funktioner/egenskaper är:

• Ett spår för att förbättra krypningsspecifikationen mellan kretskortets logiksida och kraftsida, samt ett 9 mm ”krypningsförbättrande” spår mellan kortets primära och sekundära kretsar.
• En 2 watts isolerad strömförsörjning som stöder drift av större MOSFET-enheter vid högre frekvens.
• Separata resistorer för gate på och av, med en dedikerad diod som gör det möjligt att anpassa och optimera både tillslags- och frånslagssignaler.
• En common-mode-induktor på den logiska effektingången, för förbättrad EMI-immunitet.

Figur 8: Högnivåblockdiagrammet för CGD15SG00D2 visar referensdesignens huvudsakliga funktioner, inklusive opto-kopplare (U1), integrerad gate-driver-krets (U2) och isolerad strömförsörjning (X1). (Bildkälla: Wolfspeed)

Slutsats

I jämförelse med konventionella Si-MOSFET-enheter, erbjuder den tredje generationens SiC-MOSFET-enheter från Wolfspeed väsentliga prestandafördelar avseende effektivitet och termiska egenskaper för effektswitchande tillämpningar. I kombination med en lämplig driver, levererar de tillförlitlig, konsekvent kapacitet för både nya och befintliga tillämpningar.