So wählen Sie den richtigen Gate-Treiber für Ihren SiC-MOSFET

Siliziumkarbid (SiC) Mosfets haben erhebliche Fortschritte in der Macht gemacht Halbleiter Industrie dank einer Reihe von Vorteilen gegenüber siliziumbasierten Switches. Dazu gehören schnelleres Schalten, höhere Effizienz, höhere Spannung Betrieb und höhere Temperaturen, die zu kleineren und leichteren Designs führen. Dies hat ihnen geholfen, ein Zuhause in einer Reihe von Automobil- und Industrieanwendungen zu finden. Aber auch Geräte mit großer Bandlücke (WBG) wie SiC bringen Designherausforderungen mit sich, einschließlich elektromagnetischer Interferenz (EMI), Überhitzung und Überspannungsbedingungen, die durch die Wahl des richtigen Gate-Treibers gelöst werden können.

Da Gate-Treiber verwendet werden, um das Leistungsgerät anzusteuern, ist es ein kritischer Teil des Leistungspuzzles. Eine Möglichkeit, ein optimiertes Design mit SiC zu gewährleisten, besteht darin, zunächst die Wahl des Gate-Treibers sorgfältig abzuwägen. Gleichzeitig erfordert es einen genauen Blick auf die wichtigsten Anforderungen Ihres Designs – Effizienz, Dichte und natürlich Kosten – denn je nach Anwendungsanforderung gibt es immer Kompromisse.

Trotz der inhärenten Vorteile von SiC ist die Preisgestaltung immer noch ein Hindernis für die Einführung. Wenn Sie sich SiC im Vergleich zu Silizium auf der Basis eines Teilevergleichs ansehen, wird es teurer und schwer zu rechtfertigen, es sei denn, die Entwickler betrachten die Gesamtkosten der Lösung nach Leistung IC Hersteller.

Schauen wir uns also zunächst die Anwendungen, Vorteile und Kompromisse von SiC- und Silizium-MOSFETs an IGBTS. SiC-FETs bieten einen niedrigeren Einschaltwiderstand (dank einer höheren Durchbruchspannung), eine hohe Sättigungsgeschwindigkeit für schnelleres Schalten und eine dreimal höhere Bandlückenenergie, was zu einer höheren Sperrschichttemperatur für eine verbesserte Kühlung und einer dreimal höheren Wärmeleitfähigkeit führt führt zu einer höheren Leistungsdichte.

Es besteht Einigkeit in der Branche, dass Si-MOSFETs mit niedriger Spannung und GaN im Bereich <700 V spielen und darüber hinaus SiC mit einer kleinen Überlappung im unteren Leistungsbereich ins Spiel kommt.

SiC ersetzt hauptsächlich Silizium-IGBT-Anwendungen über 600 V und über 3.3 kW und noch mehr bei etwa 11 kW, was eigentlich eher ein Sweet Spot für SiC ist, was Hochspannungsbetrieb, niedrige Schaltverluste und eine höhere Leistung bedeutet Schaltfrequenz-Leistungsstufe, sagte Rob Weber, Produktlinienleiter, Digital Gate Driver (AgileSwitch), Discrete and Power Management, Microchip Technologie.

Dies erlaube den Einsatz kleinerer Filter und Passive und reduziert den Kühlbedarf, sagte er. „Wir sprechen von Vorteilen auf Systemebene gegenüber IGBTs, was letztendlich eine Reduzierung von Größe, Kosten und Gewicht bedeutet.

„Aus Verlustsicht kann man die Verluste zum Beispiel bei einer 70-kHz-Schaltfrequenz um bis zu 30 Prozent reduzieren, und das liegt an einigen der unterschiedlichen Eigenschaften von Siliziumkarbid in Bezug auf Durchbruchfeld, Elektronensättigung Geschwindigkeit, Bandlückenenergie und Wärmeleitfähigkeit“, sagte Weber.

Der Maßstab, den Ingenieure betrachten, ist die Effizienz, die zu Verbesserungen führt, aber das andere, was bei SiC immer mehr passiert, sind die Vorteile auf Systemebene gegenüber IGBTs, sagte Weber.

„Mit Siliziumkarbid können Sie mit einer höheren Schaltfrequenz arbeiten, die es Ihnen ermöglicht, kleinere externe Komponenten zu verwenden, die die unmittelbare Leistungsstufe umgeben, wie zum Beispiel Filter, die große, schwermagnetische Geräte sind; bei höheren Temperaturen arbeiten oder aufgrund der geringeren Schaltverluste kühler betreiben; ein flüssigkeitsgekühltes System durch ein luftgekühltes System ersetzen und den Kühlkörper verkleinern“, erklärte er.

Diese Reduzierung von Größe und Gewicht der Komponenten, die sich in niedrigeren Kosten niederschlägt, bedeutet, dass SiC weit über eine bessere Effizienz hinausgeht, sagte er.

Allerdings ist SiC im Preisvergleich zwischen den einzelnen Teilen immer noch teurer als herkömmliche IGBTs auf Siliziumbasis. „Der SiC Modulen wird von jedem Hersteller mehr kosten, aber wenn man das Gesamtsystem betrachtet, sind die SiC-Systemkosten niedriger“, sagte Weber.

In einem von Weber geteilten Beispiel konnte ein Kunde beim Einsatz eines SiC .-Systems eine Reduzierung der Systemkosten um sechs Prozent erreichen MOSFET.

Sobald der Entwickler die Entscheidung getroffen hat, auf SiC umzusteigen, muss er auch die Kompromisse berücksichtigen. Leistung Halbleiter Die Hersteller sind sich einig, dass es „sekundäre Effekte“ wie Rauschen, EMI und Überspannung gibt, mit denen man umgehen muss.

„Wenn Sie diese Geräte schneller umschalten, erzeugen Sie möglicherweise mehr Rauschen, das sich in EMI niederschlägt“, sagte Weber. „Außerdem ist SiC zwar bei höheren Spannungen großartig, aber auch viel weniger robust als IGBTs für kurze Zeit.Schaltung Bedingungen und Sie erhalten Schwankungen in Ihrer Spannung, so dass Sie Überspannungsbedingungen bekommen, was dazu führt, dass einige Designer SiC-Bauteile mit höherer Nennspannung verwenden, damit sie die Überspannung und Überhitzung besser kontrollieren können.“

Hier spielt die Auswahl des Gate-Treibers eine große Rolle. SiC stellt besondere Anforderungen an Eigenschaften wie Versorgungsspannung, schneller Kurzschlussschutz und hohe du/dt-Störfestigkeit.

Auswahl des SiC-Gate-Treibers

Bei der Auswahl des richtigen Gate-Treibers für SiC-Schalter ist eine neue Denkweise hinsichtlich der Stromversorgungslösung im Vergleich zu siliziumbasierten Geräten erforderlich. Zu den wichtigsten zu betrachtenden Bereichen gehören Topologie, Spannung, Vorspannung sowie Überwachungs- und Schutzfunktionen.

Die Auswahl des Gate-Treibers ist von entscheidender Bedeutung, und in der Vergangenheit war es in Ordnung, bei der Auswahl des Gate-Treibers einen sequenziellen Ansatz zu verwenden, sagte Weber. „Vor SiC wählte man zuerst den IGBT, dann den Gate-Treiber, dann die Sammelschienen und so weiter Kondensatorusw.“, sagte Weber. „Es hat sich total verändert. Sie müssen die gesamte ganzheitliche Lösung, die Sie entwickeln, und die Kompromisse bei jedem Schritt betrachten, statt den sequenziellen Ansatz, den Sie bei IGBTs verfolgen. Für viele Kunden war es eine Schulung.“

Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Gate-Treibern für SiC mit unterschiedlichen Funktionen und Integration (und Preis) für einfache bis komplexere Designs.

Beispielsweise organisiert Analog Devices Inc. (ADI) seine Gate-Treiber nach Klassen – Grundfunktionen, „Schutz“ mit Schutzfunktionen wie Überstromschutz und Fehlererkennung sowie vollständig programmierbare Konfigurierbarkeit. Die isolierten Gate-Treiber von ADI basieren auf der iCoupler-Isolationstechnologie des Unternehmens in Kombination mit Hochgeschwindigkeits-CMOS und monolithischer Transformatortechnologie, die eine extrem niedrige Ausbreitungsverzögerung bietet, ohne die Gleichtakt-Transientenimmunität (CMTI) zu beeinträchtigen, so das Unternehmen. ADI bietet auch ein Portfolio von Evaluation Boards und Referenzdesigns an, die einen guten Ausgangspunkt für das Produktdesign bieten.

Topologie, Leistungspegel, Schutz- und Funktionssicherheitsanforderungen sowie die Generation der verwendeten SiC-Bauelemente werden die Art des Treibers diktieren, der für die Anwendung benötigt wird, sagte Lazlo Balogh, System Engineering Lead, High Voltage Power, Texas Instruments Inc.

Ein nicht isolierter Treiber, der viel zusätzliche Schaltung erfordern könnte, eignet sich beispielsweise für einfachere Anwendungen, bei denen nicht alles in den Treiber integriert werden muss, sagte er.

Es gibt auch isolierte Treiber, die mit negativen Vorspannungen und Isolationsproblemen umgehen können, aber dennoch eine Art Überwachung im System benötigen, bis hin zu Geräten, die eine weitere Integration wie Überwachungs- und Schutzschaltungen und funktionale Sicherheit für Automobilanwendungen bieten, fügte er hinzu.

„Die Checkliste für den richtigen Einsatz von SiC besteht darin, sich die Topologie und die zu steuernden Geräte anzusehen, dann den Gate-Treiber auszuwählen, die Vorspannung zu optimieren, herauszufinden, welche Art von Schutz benötigt wird, und dann das Layout zu optimieren.“ sagte Balogh.

Aus Treibersicht hat es die richtige Vorspannung, also die richtige Spannungsfähigkeit, egal ob Sie isolierte oder nicht isolierte Gate-Treiber benötigen, wie viel Schutz benötigt wird, was mit der Integrationsebene [für Schutz und Sicherheit] zusammenhängt oder wie viel zusätzliche Schaltung erforderlich ist, fügte er hinzu.

Eines der Dinge, die SiC ein wenig behindert haben, ist die Erkenntnis, dass es aufgrund der höheren Schaltgeschwindigkeit in ein Gehäuse gesteckt werden muss, bei dem die Quellinduktivität eliminiert wird, was normalerweise mit der Kelvin-Quellverbindung erfolgt, sagte Balogh . „Die Quelleninduktivität kann unangenehm sein und viel Nachschwingen und zusätzliche Leistungsverluste verursachen, weil sie den Schaltvorgang verlangsamt.“

„Hier wird der Layout-Ingenieur zu Ihrem besten Freund, denn Sie müssen sich das Layout wirklich ansehen, um das Klingeln zu mildern und es für das Hochgeschwindigkeitsschalten zu optimieren“, sagte Balogh. Dazu gehören die Minimierung der Leiterbahninduktivitäten und das Trennen der Gate-Schleife von der Leistungsschleife und die richtige Umgehung [des geschalteten Strompfads und des breiten Frequenzbands] durch die Auswahl der richtigen Komponenten, fügte er hinzu.

Was wirklich entscheidend ist, ist die Verbindung des Treibers mit dem Schalter, sagte Balogh. Sie müssen die Masse des Treibers direkt mit der Quelle des Leistungsschalters verbinden, da Streuinduktivitäten die Schaltverluste erhöhen können, sagte er.

Texas Instruments bietet eine Reihe von Referenzplatinen/-designs an, die die Kunden ihren Leistungsanforderungen nahe bringen. Es gibt immer kleine Kompromisse und TI kann ihnen helfen, ihre Designs basierend auf ihren Anforderungen zu optimieren, beispielsweise wenn sie bei Volllast Spitzeneffizienz benötigen, sagte Balogh. Sein Rat: Lesen Sie die Anwendungshinweise und wenden Sie sich an die Anwendungstechniker, wenn Sie Bedenken beim Fahren von WBG haben.

TI bietet eine Reihe von Si- und IGBT-Gate-Treibern an, darunter UCC21710, UCC21732 und UCC21750. Dies sind isolierte Gate-Treiber mit integrierten Schutz- und Sensorfunktionen. Die Geräte bieten eine schnelle Erkennungszeit zum Schutz vor Überstromereignissen und gewährleisten gleichzeitig ein sicheres Herunterfahren des Systems.

sagte Mladen Ivankovic, regionaler Anwendungsingenieur bei Infineon Technologies, bei der Auswahl eines SiC MOSFET Die erste entscheidende Frage lautet: „Benötige ich für diese Komponente einen unipolaren oder bipolaren Antrieb?“

Es gibt schnelle und robuste Treiber auf dem Markt, die sowohl Si als auch SiC antreiben können, aber beim Wechsel von Si zu SiC müssen die Leute vorsichtig sein, wie man es antreibt, da Silizium mit einer typischen Spannung von 12 Volt betrieben wird, sagte Ivankovic . „Sie verwenden 12 V zum Einschalten und 0 V zum Ausschalten, sodass der normale Spannungsbereich für den Treiber, der Siliziumkomponenten oder Superjunction-MOSFETs ansteuert, 0 bis 12 Volt beträgt, und das gilt für alle Siliziumkomponentenhersteller. er fügte hinzu.

Andererseits haben SiC-Bauelemente von verschiedenen Anbietern unterschiedliche Einschalt-/Einschaltspannungen. Es gibt beispielsweise SiC-MOSFETs auf dem Markt, die zum Einschalten +15 V und zum Ausschalten -4 V benötigen, oder +20 V zum Einschalten und -2 oder -5 V zum Ausschalten, Ivankovic genannt. „Dazu braucht es einen Treiber, der die Verwendung von positiven und negativen Spannungen ermöglicht.“

Aber mit einem SiC von Infineon benötige man nur einen breiteren Spannungsbereich, sagte er. „Anstelle von 0 bis 12 V müssen Sie es also mit 0 bis 18 V betreiben und können den gleichen Treiber verwenden, der für Si oder SiC verwendet wird.“

Sie müssen also vorsichtig sein, ob Sie einen unipolaren Gate-Treiber benötigen oder sowohl einen positiven als auch einen negativen benötigen, um die Komponente richtig anzusteuern, sagte Ivankovic.

Infineon hat kürzlich die EiceDRIVER X3 Enhanced analogen (1ED34xx) und digitalen (1ED38xx) Gate-Treiber-ICs für eine Reihe industrieller Anwendungen vorgestellt. Beide Familien sind für IGBTs sowie Si- und SiC-MOSFETs in diskreten und Modulgehäusen konzipiert. Der 1ED34xx bietet eine einstellbare Entsättigungsfilterzeit und einen sanften Abschaltstrom mit externen Widerständen und der 1ED38xx bietet I2C-Konfigurierbarkeit für mehrere Parameter, einschließlich einstellbarer Steuer- und Schutzfunktionen wie Kurzschlussschutz, Soft-Off, Unterspannungssperre, Miller-Klemme , Übertemperaturabschaltung und zweistufige Abschaltung (TLTO).

Ein weiterer Aspekt des Gate-Treibers sind die Spitzenstromkapazitäten, so Eric Benedict, Senior Application Engineer bei ADI, die er in einem Schulungs-Webinar mit Wolfspeed behandelt hat. „Warum ist das also ein wichtiges Merkmal beim Ansteuern der Schalter? In den meisten Fällen kommt es auf die Effizienz in Form von reduzierten Schaltverlusten an. Um den Schaltübergang abzuschließen, muss das Gate genügend Ladung an die Gates liefern, damit der Schalter vollständig eingeschaltet ist. Das Beschleunigen des Schaltens bedeutet, dass diese Ladung schneller geliefert wird, und da der Strom die Ladung über der Zeit ist, bedeutet ein schnelleres Schalten mehr Gate-Treiberstrom. Somit wird der Spitzentreiberstrom durch die Gate-Versorgungsspannung im Gesamtwiderstand in der Gate-Schleife bestimmt.“

Benedicts Vorbehalt beim Betrachten von Datenblättern besteht darin, dass Hersteller ihre Gate-Treiber-Ausgangsströme basierend auf unterschiedlichen Testbedingungen angeben. „Einige geben Ströme an, die während eines sehr kurzen Kurzschlussimpulses abgerufen werden, bei dem Sie den Ausgang kurzschließen, während andere Ströme verwenden, die gemessen werden, wenn ein realistischer Gate-Widerstand vorhanden ist .“

Zu den wichtigsten Punkten in der Schulungssitzung gehören die Bedeutung der Auswahl eines Gate-Treibers, der über eine ausreichende Ansteuerfähigkeit verfügt, um die Schaltfrequenzen zu nutzen, um die Verluste zu verringern, eine angemessene Immunität gegen Gleichtakttransienten zu bieten und sich auf das Layout zu konzentrieren Es ist auf SiC abgestimmt, z. B. Minimierung von Parasiten und Verständnis, dass sich der Entsättigungs- oder Kurzschlussschutz von einem IGBT unterscheidet.

Konfigurierbare digitale Gate-Treiber

Viele führende Hersteller von Leistungs-ICs haben einzigartige SiC-Gate-Treibertechnologien und -lösungen entwickelt, um einige der Sekundäreffekte zu beheben und die Vorteile des Umstiegs auf eine WBG-Technologie zu maximieren.

Microchip zum Beispiel verfolgt mit seinen AgileSwitch-Treibern einen digitalen Ansatz, der eine einzigartige Technik namens „Augmented Switching“ beinhaltet. Ein Schlüsselelement dieser Technik ist das konfigurierbare Ein-/Ausschalten, das eine Reihe von Schritten bietet, die die Spannungspegel und die Zeit bei diesen Spannungspegeln steuern. Dies ermöglicht Designern, die Ein-/Ausschaltprofile digital über Software zu konfigurieren, wodurch Änderungen an der Hardware überflüssig werden. Die Technik umfasst auch zusätzliche Ebenen der Fehlerüberwachungserkennung und der Kurzschlussreaktion.

Microchip behauptet signifikante Verbesserungen: bis zu 50 Prozent geringere Schaltverluste und 80 Prozent geringeres Spannungsüberschwingen.

„Ein traditioneller analoger Ansatz ist sicherlich gut für Siliziumschalter, bei denen viele dieser Sekundäreffekte beim Antrieb eines langsamen IGBT kein Problem darstellen, aber Siliziumkarbid ist ein ganz anderes Tier“, sagte Weber.

Eines der Schlüsselelemente der digitalen Gate-Treibertechnologie ist es, einen Kurzschlusszustand sehr schnell zu schützen und dann sicher darauf zu reagieren, sagte Weber.

Microchip hat vor kurzem seinen digitalen Gate-Treiber der zweiten Generation vorgestellt, der den Geräten der ersten Generation ein neues Maß an Kontrolle bietet. Die konfigurierbaren Gate-Treiber können mit SiC-MOSFETs aller Hersteller verwendet werden.

Die Unterschiede bei den MOSFETS haben mit den Ein- und Ausschaltspannungen zu tun, also die Möglichkeit, die +/- Spannungspegel zu programmieren, auch wenn sie von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedliche positive und negative Spannungen haben Gate-Treiber, sagte Weber.

Laut Weber konnten Kunden ihre Entwicklungszyklen und Entwicklungszeit um bis zu sechs Monate verkürzen. „Die Idee, dass man Software verwenden kann, um Dinge zu tun, die man früher mit der Lötpistole oder Platinen-Respins gemacht hat, ist eine andere Denkweise. Aber wissen Sie, dass die Kunden, die damit begonnen haben, es zu übernehmen, es als bahnbrechend betrachten.“

Er stellte auch fest, dass dies den Kunden insbesondere in Zeiten von Herausforderungen in der Lieferkette mehr Flexibilität bietet. "Unternehmen werden in der Lage sein, zwischen Lieferanten zu wechseln, sobald das Angebot verfügbar ist."

Microchip implementiert den digitalen Gate-Treiber-IC ASD2 in einer Reihe von Gate-Treiber-Platinenprodukten, die als Gate-Treiber-Kerne bezeichnet werden – Halbbrücken-Bauelemente mit Stromversorgungs-Gate-Treibern mit einem Mikroprozessor und einem gewissen Maß an Konfigurierbarkeit und Steuerung. Das Unternehmen unterstützt auch branchenweite Kompatibilität mit einer Reihe von Adapterplatinen oder Tochterkarten, die die Verwendung verschiedener Modultypen nach Industriestandard ermöglichen, die sowohl Microchip als auch Konkurrenten anbieten.

Der digitale Gate-Treiber ermöglicht es Entwicklern auch, den MOSFET für die heutige Anwendung zu optimieren, anstatt ihn fünf oder zehn Jahre lang zu optimieren, um die Verschlechterung des Schalters im Laufe der Zeit oder Nutzung zu berücksichtigen.

„Bei unseren Treibern ist eines der Dinge, die Kunden interessieren und an denen sie interessiert sind, heute die Möglichkeit, für den MOSFET zu optimieren, mit der Idee, dass sie im Laufe der Zeit, wenn sich der MOSFET verschlechtert, die Einstellungen ändern können, um den MOSFET zu optimieren. Auf diese Weise holen sie heute mehr Effizienz aus dem System und geben diese Effizienz nicht auf, indem sie für einen zukünftigen Worst-Case-Szenario entwerfen“, sagte Weber.

Dies kann in einer analogen Lösung erfolgen und es gibt immer mehrere Wege, um dorthin zu gelangen, aber wie hoch sind die Kosten, Kompromisse und der Zeitaufwand für die Entwicklung der Lösung, fügte er hinzu.

Standardtreiber verwenden

Die Lieferanten sind sich einig, dass es möglich ist, Standardtreiber zur Steuerung der SiC-Geräte zu verwenden, aber sie müssen über die Höhe des Kompromisses entscheiden und dass dieser Kompromiss normalerweise zusätzliche Schaltungen oder größere externe Geräte mit sich bringt. Eine Möglichkeit zum Reduzieren von Klingeln und Überspannung bei Verwendung eines Standardtreibers besteht beispielsweise darin, die Größe des Gates zu erhöhen Widerstand.

Balogh wies auf andere Probleme hin, die berücksichtigt werden müssen, wie Schutzfunktionen, Unterspannungssperre, Betrieb mit höheren Frequenzen, schnelleres Schalten und Hotspots auf dem Chip, die sich alle auf Leistungsverluste, EMI und Größe auswirken können.

Darüber hinaus nimmt die zusätzliche Schaltung normalerweise viel mehr Platz ein als eine integrierte Lösung und ein dediziertes SiC, daher gibt es viele Nachteile, und aus diesem Grund entscheiden sich High-End-Designs für einen dedizierten SiC-Kerntreiber, der Dinge wie schnelleres Schalten berücksichtigt , Überspannungsbedingungen und Probleme mit Rauschen und EMI, sagte er.

„Sie können immer einen Standard-Gate-Treiber verwenden, müssen ihn jedoch durch zusätzliche Schaltungen ergänzen, und das ist normalerweise der Kompromiss“, sagte Balogh.

Als Beispiel kann für ein kleines Design mit hoher Leistungsdichte ein standardmäßiger nicht isolierter Gate-Treiber in einem SOT23-Gehäuse verwendet werden, sagte Balogh. Nicht isolierte Treiber sind nicht direkt anwendbar, aber es ist möglich und viele Leute gehen diesen Weg, sagte er.

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