تسارع اعتماد كربيد السيليكون بشكل كبير في السنوات الأخيرة ، وذلك بفضل التقدم التكنولوجي القوي في جودة وأداء مكوناتومدى توفرها وظهور التطبيقات التي تستفيد من هذا الأداء. اتبعت UnitedSiC استراتيجية الابتكار التكنولوجي المستمر، لتقديم أقل مكونات الطاقة Rds(on) في نطاق 650V-1200V [1]، المبنية على الخصائص الممتازة والإنتاجية العالية لـ SiC JFET الخاص بنا التكنلوجيا.
مع الإطلاق الأخير لسلسلة Gen 4 (G4) UJ4C SiC FET ، نفتح الفصل التالي في توسيع استخدام SiC في تحويل الطاقة وتطبيقات العاكس مع تحسين كبير في خصائص الجهاز ، بهدف تزويد المستخدمين بالمستوى التالي من مزايا الأداء وتكلفة النظام.
الخصائص المقارنة للتقنيات المتاحة
تستهدف منتجات UJ4C الأولى من UnitedSiC (انظر الجدول 1) تصنيف 750 فولت VDS(MAX) بدلاً من 650 فولت، من أجل معالجة التطبيقات باستخدام ناقل تيار مستمر 500 فولت، مع خدمة تطبيقات الحافلات التقليدية 300/400 فولت. تحافظ الأجهزة على تصنيف البوابة +/- 20 فولت، المدمج في حماية ESD، والقدرة على استخدام محركات البوابة البسيطة أحادية القطب التي يتم تمكينها بواسطة 5V VTH، والتي تعد جميعها ميزات بنية cascode الخاصة بـ SiC FET. في التطبيقات عالية التردد، يمكن استخدام محركات البوابات منخفضة تصل إلى 0 إلى 10 فولت، مع الحد الأدنى من التأثير على فقدان التوصيل. المقاومة المحددة المنخفضة للغاية لهذا التكنلوجيا (SiC JFET 0.7mohm-cm2) يسمح بحوالي نصف المقاومة في حجم حزمة معين بالنسبة إلى 650V SiC MOSFETs.
عند مقاومة معينة ، فإن رقائق منكمشة ، مما يؤدي إلى سعات أقل بكثير. وهذا بدوره يؤدي إلى خسائر تحويل أقل. تستخدم عبوات TO247-3L و 4L تقنية Ag sinter لتعزيز المقاومة الحرارية جنبًا إلى جنب مع ترقق الرقائق ، لتخفيف آثار قالب JFET الأصغر ، والسماح بتحقيق مقاومة حرارية ممتازة من التوصيل إلى الحالة RTHJC. تحتفظ الأجهزة بالقدرة على التعامل مع أحداث الانهيارات الجليدية وهي جيدة بشكل خاص في التعامل مع أحداث الانهيارات الجليدية الحالية ذات الطاقة المنخفضة والتي تصل إلى 2X التصنيف الحالي. يعد السلوك الربع الثالث الممتاز مع VFSD المنخفض (<1.5 فولت) و QRR المستقل بدرجة حرارة منخفضة ميزة أخرى لـ SiC FETs ، وقد خفضت أجهزة G4 كثيرًا QRR من نظيراتها السابقة G3 ، مدفوعة بتقليل COSS.
في الجدول 2 ، قارنا المعلمات التكنولوجية لأحدث SiC الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومةوأجهزة Superjuncton و G4 SiC FETs. تشير الصفوف التي تظهر RDSA إلى المقاومة mohm-cm2 لمنطقة الرقاقة النشطة عند 25 درجة مئوية و 125 درجة مئوية. هذه مقاومة لـ JFET المستخدمة في بناء Cascode SiC FET ، وقد تضيف المقاومة الإضافية لـ LVMOS 10٪ إلى هذا الرقم. يعد 5V VTH الخاص بـ G4 SiC FET بالتزامن مع محرك البوابة من 0 إلى 12 فولت فريدًا ويوفر أفضل رقم متاح Qg.V من الجدارة لفقدان محرك البوابة. يمكن أن يتم تشغيل هذه الأجهزة عند 500 كيلو هرتز -1 ميجاهرتز دون ارتفاع درجة حرارة محركات البوابة القياسية.
الكود إنشاء يسمح بأقل انخفاض متاح في الصمام الثنائي VFSD للجسم لجميع خيارات فجوة النطاق العريض ، مما يسمح باستخدام هذه الأجهزة في وضع التصحيح غير المتزامن. نظرًا لأن أداء الاسترداد العكسي QRR ممتاز أيضًا ، فإن رقم الجدارة الإجمالي VF * QRR لا مثيل له بالنسبة لـ G4 SiC FETs. هذا يسمح بأداء ممتاز للتبديل الثابت ويمنع فشل الجهاز في دوائر ZVS إذا حدث التبديل الثابت تحت أي ظروف تحميل. تُستخدم أرقام الجدارة RDS * EOSS و RDS * COSS، TR استنادًا إلى مقاومة كود الكود الصافي لتقييم القدرة الأساسية للتكنولوجيا لتطبيقات التبديل الثابت واللين ويمكن رؤيتها على أنها الأفضل في فئتها. يمكن أن تسمح هذه الأجهزة بتنفيذ أبسط للدوائر ذات الترددات العالية مثل LLC و CLLC و DAB و PSFB.
الجدول 1: المعلمات الرئيسية لمنتجات Gen 4 SiC FET
الجدول 2: مقارنة المعلمات لـ G4 750V SiC FETs مع 650V SiC MOSFETs و 600 V Superjunction سريع الصمام الثنائي FETs
تبديل أشكال الموجة وإدارة سرعة التبديل يوضح الشكل 1 أشكال موجة التبديل نصف الجسر للأجهزة 60mohm و 18 Mohm 750V في حزمة TO247-4L المقاسة عند 400V و 20A و 50A على التوالي. تظهر أشكال الموجة بمقارنة Rg كبيرة للتحكم في التشغيل والإيقاف مقابل استخدام جهاز التحكم عن بعد RC عبر الجهاز مع Rg منخفض عند البوابة. تستخدم كلتا الدائرتين جهاز تنفس RC من ناقل التيار المستمر إلى الأرض ، ويشار إليه بمصطلح ناقل الحركة [2].
يُظهر الصف العلوي من الشكل 1 سلوك التبديل لـ 60 مترًا ، 750 فولت SiC FET UJ4C075018K4S. الفرق في خسارة التشغيل باستخدام Rg = 25ohm (171uJ) مقابل Rg منخفض من 1ohm جنبًا إلى جنب مع 10hm ، 95pF مصدر تصريف RC snubber (142uJ) صغير. يكون معدل التشغيل di / dt أبطأ بشكل ملحوظ مع Rg = 25ohm ، لكن تيار استرداد الذروة لا يختلف كثيرًا. الحد الأقصى لـ dV / dt أثناء التشغيل مشابه ، حيث يتم ضبطه بواسطة SiC JFET ، ولا يتم تعديله بواسطة Rg المطبق على LV MOSFET في SiC FET. يكون تأخير التشغيل أعلى مع 25 أوم Rg.
يوضح سلوك إيقاف التشغيل للحالات التي تستخدم 20 أوم Rgoff (37uJ) ، مقابل Rgoff من 1 أوم جنبًا إلى جنب مع 10hm ، 95pF من مصدر تصريف RC snubber (17uJ) ، أنه باستخدام snubber ، يمكن الحصول على خسائر أقل ، بينما الحفاظ على مهلة إيقاف قصيرة وتجاوز VDS أقل إلى حد ما وتقليل الرنين. الخسائر الموضحة تشمل snubber
الخسارة ، والتي يتم استخراجها بشكل منفصل في ورقة البيانات ، وهي صغيرة جدًا [2 ، 3]. ومع ذلك ، في التيارات المنخفضة مثل 20A ، لا تكون هناك حاجة إلى جهاز التنفس في العديد من التطبيقات ، لأن الخسائر المضافة مع التحكم البسيط في Rg ليست مفرطة. لا يزال يوصى باستخدام مصدات الحافلات ، لأنها تحسن أداء الرنين بأقل تأثير للخسارة.
ومع ذلك ، عند 50A ، تكون أشكال الموجة التي تستخدم snubbers أعلى بكثير وتسمح بتخفيض إجمالي خسارة التبديل EON + EOFF بحوالي 36٪. باستخدام Rg المنخفض ، يمكن أيضًا الحفاظ على أوقات التأخير منخفضة. في المنحنيات السفلية في الشكل 1 ، تتم مقارنة بيانات التبديل عند 50A ، 400V لـ UJ4C075018K4S (18 م ، 750 فولت) للحالات التي تستخدم 25 أوم Rgon / 50ohm Rgoff مقابل Rg = 1ohm مع 10ohm ، 300pF RC snubber عبر ال مصدر الصرف لكل جهاز. لا يمكن استخدام Rg المنخفض البالغ 1 أوم إلا إذا كان snubber في مكانه لإدارة التجاوزات والرنين. يسمح هذا الترتيب بالتبديل بسرعة أكبر بكثير مع تقليل وقت تأخير التشغيل. يُنظر الآن إلى خسارة التشغيل (بما في ذلك فقدان snubber) على أنها 418uJ مقابل 483uJ مدفوعةً بالتشغيل الأسرع di / dt. لاحظ مع ذلك ، أن هذا الأسرع di / dt لم يأت مع أي زيادة كبيرة في ذروة الانتعاش الحالية.
وبالمثل ، فإن الأشكال الموجية لإيقاف التشغيل 50A و 400V في أسفل يمين الشكل 1 توضح أن التبديل الأسرع بكثير ووقت التأخير المنخفض مع حالة Rg = 1ohm plus RC snubber يتحقق بدون تجاوز VDS المفرط أو رنين عقدة الطور. يتم الاحتفاظ بوقت تأخير إيقاف التشغيل قصيرًا جدًا أيضًا. بالنظر إلى أن EOFF مع Rg = 1ohm مع جهاز التحكم عن بعد RC هو 55uJ فقط مقارنة بـ 255uJ عند 50ohm المقاوم يستخدم لخفض تجاوز الجهد إلى مستوى قابل للمقارنة، فمن الواضح أن استخدام جهاز snubber مفيد جدًا للتطبيقات الحالية الأعلى> 20A.
يمكن أن يعتمد الاختيار الدقيق لـ snubber على التطبيق ، بشكل عام الدارة الكهربائية المحاثات ، ومستويات الذروة الحالية للإيقاف ، وقد لا تكون ضرورية إذا كانت التيارات أقل من 25A. الخسارة في snubber المقاوم من الأفضل قياسه بشكل مباشر من خلال دمج خسارة V2 / R عند التشغيل والإيقاف. تمت الإشارة إلى هذه القيم في أوراق بيانات المنتج [2] وهي 1.7uJ عند 20A ، و 400 V لـ UJ4C075060K4S مع جهاز تنفس 10 أوم ، 95pF و 9.5uJ عند 50A ، 400V لـ UJ4C075018K4S مع جهاز تنفس 10ohm ، 300pF.
من المستحسن أن يستخدم الجهاز ببساطة محرك بوابة من 0 إلى 12 فولت أو 15 فولت ، على الرغم من أنه مع التغييرات المناسبة لقيم RG [4] ، يمكن استخدام جميع قضبان جهد البوابة الشائعة الأخرى من -5 فولت إلى 15/18/20 فولت. غالبًا ما يتم استخدام 0 إلى 10 فولت عند التبديل فوق 300 كيلو هرتز. يقارن الشكل 2 أشكال موجة التبديل نصف الجسر للجهاز 18 مترًا ، 750 فولت وجهاز 60 مترًا ، 750 فولت باستخدام حزمة TO247-4L مقابل TO247-3L ، مع محرك بوابة 0-15 فولت ، باستخدام جهاز استقبال ناقل فقط. الاعلى
يُظهر الصف أشكال موجة التشغيل والإيقاف للجهاز 60m ، 750V باستخدام نفس Rgon = 1ohm ، Rgoff = 20ohm لكلا الجهازين. الخطوط الصلبة مخصصة لحزمة 3L ، بينما الخطوط المتقطعة تخص TO247-4L.
من المتوقع بالطبع أن يكون التشغيل الأسرع di / dt بالنسبة لـ TO247-4L نظرًا لتجاوز الحث المشترك ، مما يؤدي إلى انخفاض EON على الرغم من ارتفاع الذروة الحالية. تم تحسين رنين البوابة VGS كثيرًا باستخدام TO247-4L. يعد رنين VGS لـ TO247-4L أفضل أيضًا عند إيقاف التشغيل ، على الرغم من أن ذروة تجاوز VDS هنا أقل مع حزمة 3L جنبًا إلى جنب مع EOFF أعلى.
ينظر النصف السفلي من الشكل 2 إلى استخدام نوعي الحزم للتبديل 50A ، 400V للجهاز 18m ، 750V في نصف جسر ، كل منها مع 10ohm ، 300pF snubber ، Rg = 1ohm و 0-15V بوابة محرك. يوجد الآن فرق أكبر بكثير في أشكال الموجة وخسائر التحويل بين أنواع الحزم 3L و 4L. تتميز أجهزة 3L بقدرة تشغيل أعلى (1.67x) وخسارة إيقاف (4X) مع تجاوز VDS مماثل و dV / dts ، ومع رنين VGS أكبر ، خاصة عند إيقاف التشغيل. من الواضح أنه لاستخدام حزم TO247 في التيارات العالية ، فإن استخدام مزيج من حزمة 4L مع جهاز RC snubber يسمح بأعلى أداء مع أشكال موجة تحويل مُدارة جيدًا.
نظرة عامة على فوائد التطبيق
يمكننا الآن النظر في كيفية تأثير هذه الميزات الخاصة بـ G4 SiC FETs على مجموعة من تطبيقات الأجهزة. يوضح الشكل 3 أ مثالاً على استخدام 60m ، 750V في 3.6KW Totem Pole PFC الدارة الكهربائية. أشباه الموصلات يتم حساب الكفاءة المخططة من التوصيل المقاس وخسائر التحويل للأجهزة ، مع مراعاة ارتفاع درجة الحرارة ، ولكن لا تشمل وحدة التحكم ، مغو أو خسائر النظام الأخرى. تؤدي الخسائر المنخفضة في التوصيل والتبديل ، واستعادة الصمام الثنائي الممتاز ، ومحرك البوابة البسيط إلى الكفاءة العالية الموضحة هنا. هذه الكفاءة تلبي أو تتفوق على ما يمكن تحقيقه من خلال SiC الأكثر تكلفة MOSFET الخيارات التي تتطلب محركات بوابة أكثر تعقيدًا. يتم دعم كلا الإصدارين 3L و4L من حزمة TO247. يوضح الشكل 3 ب نفس البيانات، حيث يقارن الكفاءة مع الجزء البطيء من TPPFC الذي تم استبداله بصمام ثنائي مقوم Si بدلاً من SiC FET.
الرقم 3: أشباه الموصلات الكفاءة باستخدام العديد من SiC FETs في Totem-Pole PFC الدارة الكهربائية عند 65 كيلو هرتز يمثل فقط الخسائر في جهاز الطاقة. تستخدم المؤامرة الموجودة على اليسار SiC FETs لكل من أرجل التبديل السريع والتبديل البطيء ، بينما تقارن المؤامرة الموجودة على اليمين الفرق باستخدام SiC FETs على الساق السريعة (1x UF3C065030K3S) ، مع ثنائيات مقوم Si على الساق البطيئة. يقلل خيار الصمام الثنائي Si من الكفاءة بحوالي 0.2٪. يشير المصطلح 1Ph 2P إلى 1 Phase مع جزأين على التوازي. أجهزة UF2C هي أجهزة G3 ، مضمنة هنا لإظهار الأداء المرتبط بأجهزة UJ3C G4
الجدول 3: خسائر أشباه الموصلات في دائرة 3600W LLC باستخدام G4 SiC FETs بترددات مختلفة. من الممكن تحقيق كفاءات عالية جدًا ، حيث يساهم كل جهاز في خسائر أقل من 6.27 وات حتى عند 500 كيلو هرتز
فعالة من حيث التكلفة ، مما يوفر اثنين من الترانزستورات ومحركات البوابة ، ولكن يحدث انخفاض بنسبة 0.2 ٪ في الكفاءة عند الخط العالي. في حين أن واحدًا من 60mm FET يكفي لتطبيقات 1.5KW ، فإن وحدة واحدة من 18mohm ، أو اثنتين من 60m متوازية هي الأفضل من 3 إلى 3.6KW. يتطلب خيار الجهاز الفردي الذي يبلغ 18 ميجا بايت طاقة محرك بوابة أقل ويستهلك مساحة أقل.
الجدول 3 هو تقدير مماثل ل أشباه الموصلات الخسائر باستخدام 60 مترًا و 18 مترًا ، 750 فولت SiC FETs في تطبيق 3600W LLC. تتم إضافة التوصيل ومحرك البوابة وخسائر الصمام الثنائي لتقدير صافي الخسارة لكل جهاز عند الحد الأقصى للحمل. باستخدام إما 2 SiC FETs متوازيتين 60m أو 18m SiC FET ، يمكن الاحتفاظ بالفاقد أقل من 6.3W لكل FET حتى عند 500 كيلو هرتز ، مما يسمح بكفاءة عالية للغاية مع الحد الأدنى من الحاجة إلى غرق الحرارة. بينما تهيمن خسائر التوصيل على الخسائر ، تظهر أيضًا المساهمات النسبية لإيقاف التشغيل ومحرك البوابة وخسائر توصيل الصمام الثنائي ، ويُنظر إليها على أنها منخفضة جدًا باستخدام خصائص G4 SiC FET.
يوفر استخدام UnitedSiC FETs مسارًا بسيطًا لتحقيق كفاءة أعلى في هذه التطبيقات ذات التبديل الناعم دون الحاجة إلى تغيير محرك البوابة. في هذه الحالة ، عند فقدان تشغيل ZVS ، تضمن قدرة الجهاز على التبديل الثابت دون استرداد ضعيف للديود عدم حدوث أي أعطال. تساعد الإرتفاع الإضافي للجهد أيضًا في إطالة عمر الحقل عند الحاجة.
نبذة عامة
في هذه المقالة، قمنا بمراجعة معلمات وحدات G4 UJ4C 750V SiC FETs الجديدة من UnitedSiC مقارنةً بوحدات SiC MOSFETs وSuperjunction FETs في فئة 600/650 فولت. لقد بحثنا بعد ذلك في خصائص التبديل للأجهزة في كل من الحزمتين TO247-4L وTO247-3L وأظهرنا فوائد استخدام الحزمة TO247-4L والتيارات التي تزيد عن 25A، وقيمة أجهزة التحكم عن بعد RC لإدارة أشكال الموجات التبديلية مع تقليل الخسائر. استخدمنا معلمات الجهاز المعروفة لاستخراج الخسائر في كل من مثال Totem-Pole PFC وشركة ذات مسؤولية محدودة، موضحًا كيف يمكن لهذه الأجهزة أن تسمح بمسار إلى كفاءة 80Plus Titanium من خلال تنفيذ بسيط لمحرك البوابة. المزايا في كل من التطبيقات الصلبة واللينة التبديل، إلى جانب محرك البوابة الأسهل وهامش 100 فولت الإضافي، تجعل هذا دخولًا جديدًا مقنعًا في عالم ترانزستورات SiC سريع التوسع الذي يستهدف نطاق 600-750 فولت من التطبيقات في شواحن السيارات الكهربائية، EV محولات DC-DC ومراكز البيانات وطاقة الاتصالات والطاقة المتجددة وتخزين الطاقة. يمكن العثور على ثروة من المعلومات الإضافية على موقع UnitedSiC.