In diesem Artikel lernen Sie die Merkmale der Verwendung von Siliziumkarbid-MOSFET-Transistoren und -Dioden, die Auswahl eines Elements und einen Vergleich mit Silizium (Si) -Vorrichtungen sowie vor allem die Ergebnisse meiner Experimente und Forschungen zur Verlangsamung der Das Schalten von SiC-Transistoren wurde aufgrund meiner jüngsten Entwicklung durchgeführt - der Versorgung mit Solarenergie.
Unter dem Strich ein wenig Analytik und Praxis auf dem Gebiet der Leistungselektronik - willkommen.
Siliziumkarbid
Siliziumkarbid ist ein Halbleitermaterial mit großem Spalt, das bei der Herstellung von Dioden, Transistoren und Thyristoren verwendet wird. Siliziumkarbid trat sehr lange in meine Praxis als Entwickler von Leistungselektronik ein. Vor ungefähr zehn Jahren las ich einen Artikel von Infineon, dass die Verwendung einer SiC-Diode in einem Leistungsfaktorkorrektor (PFC) den Wirkungsgrad des Wandlers erheblich steigern kann. Angewandt. Und selbst im Vergleich zu einer Siliziumdiode erwies sich die Verstärkung als sehr signifikant. Seitdem habe ich SiC-Dioden und Transistoren in vielen Designs eingesetzt.
Mal sehen, welche Vorteile SiC-MOSFETs gegenüber Silizium-MOSFETs haben:
- (Ciss) (Coss) , ;
- Qg, ;
- RDSon, ( );
- RDSon ;
- ;
- .
Um nicht unbegründet zu sein, schlage ich vor, die Parameter eines Siliziumkarbidtransistors mit ähnlichen auf Si basierenden zu vergleichen. Zum Vergleich habe ich einen Wolfspeed (Cree) SiC-MOSFET (C3M0060065K) sowie ein Paar Infineon-Transistoren aus den Familien C7 (IPW65R065C7) und CFD7 (IPW60R070CFD7) ausgewählt. Diese Transistoren werden aus den Top-Familien ausgewählt, da sie in elektrischen Parametern irgendwie mit Siliziumkarbid konkurrieren können.
Wenn wir diesen Vergleich betrachten, können wir sagen, dass Siliziumkarbid Siliziumtransistoren in jeder Hinsicht überlegen ist (mit Ausnahme des Preises). Ein paar Worte zum Kanalwiderstand R DSon . Dieser Parameter für die ausgewählten Si-Transistoren ist zwar unter normalen Bedingungen etwas niedriger, wird jedoch durch die sehr starke Temperaturabhängigkeit von R DSon mehr als kompensiert .
Das nächste Bild zeigt die Abhängigkeitsdaten für zwei Transistoren. Es ist ersichtlich, dass bei einer Temperatur von 100 ° C (ich habe Punkte in die Diagramme eingefügt) der Überschuss für Siliziumkarbid nur 10% und für einen Siliziumtransistor 65% beträgt.
Leistungshalbleiter arbeiten niemals bei Raumtemperatur, und der Einfluss der Kristalltemperatur auf den Vorwärtskanalwiderstand kann erheblich sein. Diese Funktion sollte bei der Berechnung statischer Verluste und der Auswahl von Transistoren immer berücksichtigt werden. Die Grafik zeigt, dass auch bei einer Temperatur von 75 ° C bei der Berechnung des effektiven R DSon-Werts für Silizium ein Korrekturfaktor von 1,4 angewendet werden muss.
Wir haben uns die Vorteile von Siliziumkarbid angesehen. Was ist die andere Seite der Medaille?
Was kann Sie davon abhalten, einen SiC-MOSFET zu verwenden?
Preis. Obwohl dies ein Vergleich der Preise ist, handelt es sich um eine Auswahl von mehr oder weniger gleichwertigen PP-Geräten (sagen wir, erstklassig). Und das Problem kann mit billigeren Transistoren gelöst werden. Zum Beispiel kostet NTHL095N65S3HF - ein gewöhnlicher Siliziumtransistor von ONsemi, 650 V, 36 A - nur 4,86 USD und ist in einer Charge von 100 Stück sogar noch billiger - 3,3 USD. Es ist in Ordnung, dass der Kanalwiderstand etwas höher ist, er wird seine Aufgabe erfüllen, er wird einfach geringer sein als der Wirkungsgrad des Wandlers. Auf besonderen Wunsch können Sie einen Transistor eines guten chinesischen Herstellers für 2,5 US-Dollar finden.
Sehr schnelles Umschalten. Dies ist zum einen ein Plus - dynamische Verluste werden reduziert. Andererseits - minus - führen große Werte von dV / dt zu einer Erhöhung des Interferenzpegels, sowohl geleitet als auch abgestrahlt. Aber niemand hat die Zertifizierung und Tests für EMC abgesagt.
Die Notwendigkeit einer bipolaren Gate-Steuerung (aktive Verriegelung). Ja, es erscheinen jetzt SiC-Transistoren, bei denen der DS angibt, dass dies nicht erforderlich ist. Aber um ehrlich zu sein, würde ich das nicht für harte industrielle Anwendungen tun.
Fehlende Standards für den Lawinenabbau. Um ehrlich zu sein, hat mich diese Tatsache überrascht. Tatsächlich fehlen diese Standards (Lawinenbewertung) für SiC-Transistoren in DS. Die Hauptanbieter schweigen "taktvoll", obwohl ich dies auf der ROHM Semiconductor-Website gefunden habe .
Nach dem Lesen unabhängiger Studien zum Lawinenabbau von Siliciumcarbid wurde klar, dass dies ein echtes Wurmloch ist und eine Überprüfung dieses Themas möglicherweise den Rahmen dieses Artikels sprengt. Das einzige, was bemerkt werden kann, ist, dass die Spannung des Lawinendurchbruchs des SiC-MOSFET signifikant (1,5-1,8-fach) höher ist als die Grenz-Drain-Source-Spannung.
Ein wenig über Siliziumkarbiddioden
SiC-Dioden werden häufig in Leistungsfaktorkorrekturen (PFC, PFC) verwendet. KKM ist fast immer ein Aufwärtswandler, ein hartes Schalten und ein großer Spannungshub. Ideal ist hier eine schnelle Reverse-Recovery-Diode. Speziell für den Dauerstrommodus (CCM), wenn die Schaltung erregt ist.
Wenn früher, als der Preis für Siliziumkarbiddioden relativ hoch war, es einige Optionen geben könnte, sollten Sie jetzt ohne Zweifel nur diese hervorragenden Dioden in das KKM aufnehmen.
Es können auch andere Anwendungen gefunden werden, wie beispielsweise Hochspannungsgleichrichter.
Untersuchung des SiC-MOSFET-Schaltprozesses
Bei der Planung der Entwicklung eines Netzteils mit einer Eingangsspannung von bis zu 1500 V begann ich im Voraus, die Merkmale der Verwendung von Siliziumkarbidtransistoren zu untersuchen. Ich interessierte mich besonders für die kritischen Werte der Anstiegsrate der Drain-Source-Spannung (dV / dt) sowie für Methoden zur Verlangsamung des Schaltens. Wir haben es geschafft, Antworten auf diese Fragen im Webinar eines der Distributoren zu erhalten:
Nachdem die erste Iteration des Konverters erstellt und debuggt worden war, beschloss ich, einige Untersuchungen über die Möglichkeit durchzuführen, den Schaltvorgang zu verlangsamen. Der Wandler ist in einer Halbbrückentopologie hergestellt, die Leistung beträgt 100 W, die Versorgungsspannung beträgt 750 V, die Transistorsteuerung erfolgt nach folgendem Schema:
Mit zunehmendem Widerstand der Gate-Widerstände (R2, R3) wurden die Werte der Dauer der Schaltflanken sowie der Wirkungsgrad des gesamten Wandlers gemessen. Um ehrlich zu sein, hatte ich erwartet, dass bei einer Verschärfung der Fronten die dynamischen Verluste zunehmen und die Effizienz sinken würde. In Wirklichkeit stellte sich heraus, dass die Effizienzänderungen nicht signifikant waren. Genauer gesagt war bei der Messung mit einem in das Netzteil eingebauten Amperemeter der Unterschied aufgrund der geringen Auflösung dieses Messgeräts nicht erkennbar. Ich erkannte meinen Fehler und maß ihn erneut mit einem genaueren Amperemeter.
An den Extrempunkten habe ich folgende Werte erhalten:
- bei einem Gate-Widerstand von 5,6 Ohm beträgt der Wirkungsgrad 85,0%;
- Bei einem Gate-Widerstand von 330 Ohm beträgt der Wirkungsgrad 84,46%.
Somit beträgt die zusätzliche Leistung etwa 0,5 W. Es ist davon auszugehen, dass dies nur auf einen Anstieg der dynamischen Verluste zurückzuführen ist. Selbst in diesem Fall teilen wir durch zwei Transistoren und erhalten 0,25 W zusätzliche Verlustleistung pro Schalter. Ich würde nicht sagen, dass das viel ist. Außerdem sind 330 Ohm am Gate ein völlig unmöglicher Wert! Um ehrlich zu sein, war es beängstigend, solche Widerstände zu installieren (die Entwickler der Stromversorgung werden mich verstehen), und ich frage mich, wie die Quelle mit einer Eingangsspannung von 750 V nicht durchgebrannt ist. Aber, wie sie sagen, was können Sie nicht für den wissenschaftlichen
Oszillogramme der Drain-Source-Spannung des unteren Schlüssels mit 5,6-Ohm-Gate-Widerständen:
Oszillogramme der Drain-Source-Spannung des unteren Schlüssels mit Gate-Widerständen 220 Ohm:
Schaltzeiten gegen Gate-Widerstandswerte:
Natürlich war ich sehr interessiert daran, was am Gate mit einem 330-Ohm-Gate-Widerstand passiert. Millers Regal war nicht so groß:
Fazit
Ich möchte Sie daran erinnern, dass das Ziel der Studie eine 100-W-Stromversorgung mit einer Eingangsspannung von 200-750 V (DC) war. Ausgangsspannung 24V. Topologie - Halbbrücke. Leistungstransistoren C2M1000170D (Siliziumkarbid).
Die höchste erhaltene Anstiegsgeschwindigkeit am Drain beträgt also 18 V / ns, was erheblich unter den Grenzwerten von dV / dt 100-150 V / ns liegt.
Eine wichtige Schlussfolgerung, die aus diesen Studien gezogen werden kann, ist, dass die Verzögerung der Schaltfronten von Siliziumkarbidtransistoren durch Erhöhen der Gate-Widerstände nicht besonders effektiv ist. Meiner Meinung nach können Sie es sich in einem echten Design leisten, einen 22-Ohm-Gate-Widerstand zu installieren, in einigen Fällen vielleicht 47 Ohm. Aus den Ergebnissen der Studie ist ersichtlich, dass bei solchen Werten kein signifikanter Widerstand der Fronten auftritt.
In Bezug auf die Verwendung von Siliziumkarbid-Halbleitern - SiC-Must-Dioden in jedem PFC (wenn es keine wirklich strengen Preisziele gibt), wie für Transistoren, habe ich für mich mehrere Bedingungen abgeleitet, unter denen sie verwendet werden sollten:
- hohe Eingangsspannung des Wandlers (500-1500 V);
- erhöhte Umgebungstemperatur oder schlechte Kühlbedingungen;
- Eine erhöhte Kompaktheit der Lösung ist erforderlich (dementsprechend wählen wir eine höhere Frequenz).
- hohe Effizienz ist erforderlich;
- Ich möchte
mich cool fühlen, um neue Leistungselektroniktechnologien auszuprobieren.
Sie können meine Empfehlungen verwenden oder sich Ihre eigenen einfallen lassen. Lassen Sie Ihre Entwicklungen auf jeden Fall effizient und zuverlässig sein! Und bis wir uns wieder sehen.
Power ist cool - damit umgehen.