Cómo seleccionar el controlador de puerta adecuado para su SiC MOSFET

Carburo de silicio (SiC) mosfets han hecho avances significativos en el poder Semiconductores industria gracias a una serie de ventajas sobre los conmutadores basados ​​en silicio. Estos incluyen conmutación más rápida, mayor eficiencia, mayor voltaje operación y temperaturas más altas que dan como resultado diseños más pequeños y livianos. Esto les ha ayudado a encontrar hogares en una variedad de aplicaciones industriales y automotrices. Pero los dispositivos de banda ancha ancha (WBG) como el SiC también presentan desafíos de diseño, incluidas las condiciones de interferencia electromagnética (EMI), sobrecalentamiento y sobretensión, que pueden resolverse eligiendo el controlador de puerta correcto.

Dado que los controladores de puerta se utilizan para impulsar el dispositivo de energía, es una pieza crítica del rompecabezas de la energía. Una forma de garantizar un diseño optimizado con SiC incluye primero considerar cuidadosamente su elección del controlador de puerta. Al mismo tiempo, requiere una mirada cercana a los requisitos clave de su diseño (eficiencia, densidad y, por supuesto, costo) porque siempre hay compensaciones, dependiendo de los requisitos de la aplicación.

A pesar de los beneficios inherentes del SiC, el precio sigue siendo un obstáculo para la adopción. Si observa SiC versus silicio en una base de comparación de piezas, será más costoso y difícil de justificar a menos que los diseñadores consideren el costo total de la solución, de acuerdo con la potencia. IC fabricantes.

Entonces, primero abordemos las aplicaciones, beneficios y compensaciones de los MOSFET de SiC versus silicio o IGBTs. Los FET de SiC ofrecen una resistencia de encendido más baja (gracias a un voltaje de ruptura más alto), una velocidad de saturación alta para una conmutación más rápida y una energía de banda prohibida 3 veces mayor, lo que resulta en una temperatura de unión más alta para un enfriamiento mejorado y una conductividad térmica 3 veces mayor, que se traduce en una mayor densidad de potencia.

Existe un acuerdo en la industria de que los MOSFET de Si de bajo voltaje y GaN funcionan en el rango de <700 V y por encima de ahí es donde entra en juego el SiC con un poco de superposición en el rango de potencia inferior.

El SiC está reemplazando principalmente a las aplicaciones de tipo IGBT de silicio de más de 600 V y superiores a 3.3 kW, y aún más a aproximadamente 11 kW, lo que en realidad es más bien un punto ideal para el SiC, lo que significa operación de alto voltaje, bajas pérdidas de conmutación y una mayor etapa de potencia de frecuencia de conmutación, dijo Rob Weber, director de línea de productos, controlador de puerta digital (AgileSwitch), administración discreta y de energía, Microchip Tecnología.

Esto permite el uso de filtros más pequeños y pasivos y reduce las necesidades de enfriamiento, dijo. “Estamos hablando de beneficios a nivel de sistema frente a los IGBT, que en última instancia es una reducción en tamaño, costo y peso.

“Desde una perspectiva de pérdida, puede reducir las pérdidas hasta en un 70 por ciento, por ejemplo, a una frecuencia de conmutación de 30 kHz, y eso es el resultado de algunas de las diferentes características del carburo de silicio en términos de campo de ruptura, saturación de electrones velocidad, energía de banda prohibida y conductividad térmica ”, dijo Weber.

El punto de referencia que los ingenieros miran es la eficiencia, que da como resultado niveles de mejora, pero la otra cosa que está sucediendo cada vez más en SiC son los beneficios a nivel del sistema sobre los IGBT, dijo Weber.

“Con el carburo de silicio puede operar a una frecuencia de conmutación más alta que le permite tener componentes externos más pequeños que rodean la etapa de potencia inmediata como filtros, por ejemplo, que son dispositivos magnéticos grandes y pesados; operar a temperaturas más altas u operar más frío debido a las pérdidas de conmutación más bajas; reemplace un sistema enfriado por líquido por un sistema enfriado por aire y reduzca el tamaño del disipador de calor ”, explicó.

Esta reducción de tamaño y peso de los componentes, que se traduce en un menor costo, significa que el SiC va mucho más allá de obtener una mejor eficiencia, dijo.

Sin embargo, en una comparación de precios entre piezas, el SiC sigue siendo más caro que los IGBT tradicionales basados ​​en silicio. “El SiC módulo Costará más para cada fabricante, pero cuando se analiza el sistema total, los costos del sistema de SiC son menores”, afirmó Weber.

En un ejemplo compartido por Weber, un cliente pudo lograr una reducción del seis por ciento en los costos del sistema al usar un SiC mosfet.

Una vez que el diseñador ha tomado la decisión de cambiar al SiC, también debe considerar las ventajas y desventajas. Fuerza semiconductor Los fabricantes coinciden en que hay “efectos secundarios” como el ruido, la EMI y la sobretensión que deben abordarse.

"Cuando cambia estos dispositivos más rápido, potencialmente crea más ruido que se traducirá en EMI", dijo Weber. “Además, aunque el SiC es excelente a un voltaje más alto, también es mucho menos robusto que los IGBT paracircuito "

Aquí es donde la selección del controlador de puerta juega un papel importante. SiC tiene requisitos únicos para características tales como voltaje de suministro, protección rápida contra cortocircuitos y alta inmunidad dv / dt.

Selección del controlador de puerta de SiC

Cuando se trata de seleccionar el controlador de puerta correcto para los interruptores de SiC, se necesita una nueva mentalidad al pensar en la solución de energía en comparación con los dispositivos basados ​​en silicio. Las áreas clave a considerar incluyen topología, voltaje, polarización y características de monitoreo y protección.

La selección del conductor de la puerta es vital e históricamente estaba bien utilizar un enfoque secuencial para seleccionar al conductor de la puerta, dijo Weber. “Antes del SiC, primero se elegía el IGBT, luego el controlador de puerta, luego las barras colectoras y el condensador, etc.”, dijo Weber. “Ha cambiado totalmente. Hay que analizar toda la solución holística que se está construyendo y esas compensaciones en cada paso en lugar de este enfoque secuencial que se tiene con los IGBT. Ha sido una educación para muchos clientes”.

Además, hay una variedad de controladores de puerta para SiC que varían en características e integración (y precio), dirigidos a diseños simples a más complejos.

A modo de ejemplo, Analog Devices Inc. (ADI) organiza sus controladores de puerta por clase: funciones básicas, "protección" con funciones de protección como protección contra sobrecorriente y detección de fallas, y completa capacidad de configuración programable. Los controladores de puerta aislada de ADI se basan en la tecnología de aislamiento iCoupler de la compañía combinada con CMOS de alta velocidad y tecnología de transformador monolítico, que ofrece un retardo de propagación ultrabajo sin sacrificar el rendimiento de inmunidad transitoria de modo común (CMTI), según la compañía. ADI también ofrece una cartera de tableros de evaluación y diseños de referencia que brindan un buen punto de partida para el diseño de productos.

Los requisitos de topología, nivel de potencia, protección y seguridad funcional, y la generación del dispositivo de SiC en uso determinarán el tipo de controlador necesario para la aplicación, dijo Lazlo Balogh, líder de ingeniería de sistemas, energía de alto voltaje de Texas Instruments Inc.

Por ejemplo, un controlador no aislado, que podría requerir muchos circuitos adicionales, es bueno para aplicaciones más simples, donde no todo tiene que estar integrado en el controlador, dijo.

También hay controladores aislados que pueden manejar el sesgo negativo y los problemas de aislamiento, pero aún necesitarán algún tipo de monitoreo en el sistema, hasta dispositivos que ofrecen una mayor integración, como circuitos de monitoreo y protección y seguridad funcional para aplicaciones automotrices, agregó.

"La lista de verificación para implementar SiC de la manera correcta es observar la topología y qué tipo de dispositivos tiene que conducir, luego elegir el controlador de la puerta, optimizar el sesgo, averiguar qué tipo de protección se necesita y luego optimizar el diseño". Dijo Balogh.

Desde el punto de vista del controlador, tiene el sesgo correcto, por lo que la capacidad de voltaje correcta, ya sea que necesite controladores de puerta aislados o no aislados, cuánta protección se necesita, qué se relaciona con el nivel de integración [para protección y seguridad] o cómo se requieren muchos circuitos adicionales, agregó.

Una de las cosas que ha obstaculizado un poco el SiC es la comprensión de que, debido a la mayor velocidad de conmutación, debe colocarse en un paquete donde se elimina la inductancia de la fuente, lo que generalmente se hace con la conexión de la fuente Kelvin, dijo Balogh. . "La inductancia de la fuente puede ser desagradable y causar muchos zumbidos y pérdidas de energía adicionales porque ralentiza la acción de conmutación".

“Aquí es donde el ingeniero de diseño se convierte en su mejor amigo porque realmente tiene que mirar el diseño para mitigar el timbre y optimizarlo para la conmutación de alta velocidad”, dijo Balogh. Esto incluye minimizar las trazas de inductancias y separar el bucle de la puerta del bucle de potencia y la derivación adecuada [de la ruta de corriente conmutada y la banda de frecuencia amplia] mediante la selección de los componentes correctos, agregó.

Lo que es realmente crítico es conectar el controlador al interruptor, dijo Balogh. Debe conectar la tierra del controlador directamente a la fuente del interruptor de encendido debido a las inductancias parásitas que pueden aumentar las pérdidas de conmutación, dijo.

Texas Instruments ofrece una serie de placas / diseños de referencia que acercan a los clientes a sus requisitos de rendimiento. Siempre hay pequeñas compensaciones y TI puede ayudarlos a optimizar sus diseños en función de sus necesidades, por ejemplo, si necesitan la máxima eficiencia a plena carga, dijo Balogh. Su consejo: lea las notas de la aplicación y póngase en contacto con los ingenieros de aplicación si tiene alguna inquietud al conducir WBG.

TI ofrece una gama de controladores de puerta Si e IGBT, incluidos UCC21710, UCC21732 y UCC21750. Estos son controladores de puerta aislados con protección integrada y funciones de detección. Los dispositivos proporcionan un tiempo de detección rápido para proteger contra eventos de sobrecorriente al tiempo que garantizan un apagado seguro del sistema.

Mladen Ivankovic, ingeniero de aplicaciones regionales de Infineon Technologies, dijo al seleccionar un SiC MOSFET La primera pregunta fundamental que debemos plantearnos es "¿necesito conducción unipolar o bipolar" para ese componente?

Hay controladores rápidos y robustos en el mercado que pueden impulsar tanto Si como SiC, pero lo que la gente debe tener cuidado al pasar de Si a SiC es cómo lo conduce porque el silicio funciona con un voltaje típico de 12 voltios, dijo Ivankovic. . "Está usando 12 V para encender y 0 V para apagar, por lo que el rango de voltaje normal para el controlador que maneja componentes de silicio o MOSFETS de superjunción es de 0 a 12 voltios y eso es en todos los ámbitos de cualquier proveedor de componentes de silicio, añadió.

Por otro lado, los dispositivos de SiC de diferentes proveedores tendrán diferentes voltajes de encendido / encendido. Hay MOSFET de SiC en el mercado, por ejemplo, que requieren +15 V para encenderlo y -4 V para apagarlo, o +20 V para encenderlo y -2 o -5 V para apagarlo, Ivankovic dijo. "Esto requiere un controlador que permita el uso de voltajes positivos y negativos".

Pero con un Infineon SiC, solo necesitará un rango de voltaje más amplio, dijo. "Entonces, en lugar de 0 a 12 V, deberá conducirlo con 0 a 18 V y puede usar el mismo controlador que se usa para Si o SiC".

Por lo tanto, debe tener cuidado si necesita un controlador de puerta unipolar o si necesita tanto un controlador positivo como uno negativo para conducir el componente correctamente, dijo Ivankovic.

Infineon presentó recientemente los circuitos integrados de controlador de puerta analógicos mejorados (3ED1xx) y digitales (34ED1xx) EiceDRIVER X38 para una variedad de aplicaciones industriales. Ambas familias están diseñadas para IGBT, así como para MOSFET de Si y SiC en paquetes discretos y modulares. El 1ED34xx ofrece un tiempo de filtro de desaturación ajustable y una corriente de apagado suave con resistencias externas y el 1ED38xx proporciona una configuración I2C para múltiples parámetros, incluidas funciones de control y protección ajustables como protección contra cortocircuitos, apagado suave, bloqueo por subtensión, una pinza Miller , apagado por sobrecalentamiento y apagado de dos niveles (TLTO).

Otra consideración del controlador de la puerta son las capacidades de capacidad de corriente máxima, según Eric Benedict, ingeniero de aplicaciones senior, en ADI, que cubrió en un seminario web de sesión de capacitación con Wolfspeed. “Entonces, ¿por qué es esa una característica importante en la activación de los interruptores? En la mayoría de los casos, se reducirá a la eficiencia en forma de pérdidas de conmutación reducidas. Para completar la transición de conmutación, la puerta debe entregar suficiente carga a las puertas para que el interruptor esté completamente encendido. Acelerar la conmutación significa entregar esta carga más rápido y dado que la corriente es carga en comparación con el tiempo, una conmutación más rápida significa más corriente de accionamiento de la puerta. Por lo tanto, la corriente máxima de activación estará determinada por el voltaje de suministro de la puerta en la resistencia total en el bucle de la puerta ".

La advertencia de Benedict al mirar las hojas de datos es que los fabricantes informan las corrientes de salida del controlador de puerta en función de diferentes condiciones de prueba. “Algunos especifican corrientes que se recuperan durante un pulso de muy cortocircuito en el que cortocircuita la salida, mientras que otros usan corrientes que se miden cuando tiene una resistencia de puerta realista presente, por lo que debe tener cuidado al comparar las especificaciones de los diferentes dispositivos. . "

Algunos de los puntos clave cubiertos en la sesión de capacitación incluyen la importancia de seleccionar un controlador de puerta que tenga suficiente capacidad de manejo para aprovechar las frecuencias de conmutación para reducir las pérdidas, proporcionando inmunidad adecuada a los transitorios de modo común, centrándose en el diseño de manera que está sintonizado para SiC, como minimizar los parásitos, y comprender que la protección contra la desaturación o los cortocircuitos es diferente a la de un IGBT.

Controladores de puerta digital configurables

Muchos fabricantes líderes de circuitos integrados de energía han desarrollado tecnologías y soluciones únicas de controladores de compuerta SiC para abordar algunos de los efectos secundarios, así como para maximizar los beneficios de realizar el cambio a una tecnología WBG.

Microchip, por ejemplo, adopta un enfoque digital con sus controladores AgileSwitch, que incluye una técnica única llamada "Conmutación aumentada". Un elemento clave de esta técnica es el encendido / apagado configurable, que ofrece una serie de pasos que controlan los niveles de voltaje y el tiempo en esos niveles de voltaje. Esto permite a los diseñadores configurar los perfiles de encendido / apagado digitalmente a través del software, eliminando la necesidad de realizar cambios en el hardware. La técnica también incluye niveles adicionales de detección de monitoreo de fallas y respuesta a cortocircuitos.

Microchip afirma mejoras significativas: hasta un 50 por ciento menos de pérdidas de conmutación y un 80 por ciento menos de sobreimpulso de voltaje.

"Un enfoque analógico tradicional está ciertamente bien para los interruptores de silicio, donde muchos de estos efectos secundarios no fueron problemas al conducir un IGBT lento, pero el carburo de silicio es un animal completamente diferente", dijo Weber.

Uno de los elementos clave de la tecnología de control de puerta digital es proteger una condición de cortocircuito muy rápidamente y luego responder a ella de manera segura, dijo Weber.

Microchip presentó recientemente su controlador de puerta digital Generation 2 que agregó nuevos niveles de control sobre los dispositivos de primera generación. Los controladores de puerta configurables se pueden utilizar con los MOSFET de SiC de cualquier proveedor.

Las diferencias en los MOSFETS tienen que ver con los voltajes de encendido y apagado, por lo que la capacidad de programar los niveles de voltaje +/- incluso cuando de empresa a empresa pueden tener diferentes voltajes positivos y negativos, todos estos son configurables a través del conductor de la puerta, dijo Weber.

Weber dijo que los clientes han podido reducir sus ciclos de desarrollo y el tiempo de desarrollo hasta en seis meses. “La idea de que puedes usar software para hacer cosas que solías hacer con la pistola de soldar o las repeticiones de la placa es una mentalidad diferente. Pero sabes que los clientes que han comenzado a adoptarlo lo consideran un cambio de juego ".

También señaló que les brinda a los clientes más flexibilidad, especialmente en momentos de desafíos en la cadena de suministro. “Las empresas podrán moverse entre proveedores a medida que haya oferta disponible”.

Microchip implementa el IC de controlador de puerta digital ASD2 en una serie de productos de placa de controlador de puerta, que se denominan núcleos de controlador de puerta: dispositivos de medio puente con controladores de puerta de fuente de alimentación con un microprocesador y cierto nivel de configuración y control. La compañía también admite la compatibilidad en toda la industria con una línea de tarjetas adaptadoras o tarjetas secundarias que permite el uso de diferentes tipos de módulos estándar de la industria que ofrecen tanto Microchip como la competencia.

El controlador de puerta digital también permite a los diseñadores optimizar el MOSFET para la aplicación actual en lugar de optimizarlo durante cinco o 10 años para tener en cuenta la degradación del interruptor con el tiempo o el uso.

“Con nuestros controladores, una de las cosas que los clientes están mirando y en lo que están interesados ​​es la capacidad de optimizar para el MOSFET hoy con la idea de que con el tiempo, si el MOSFET se degrada, pueden cambiar la configuración para optimizar alrededor del MOSFET. De esta manera, obtienen más eficiencia del sistema hoy y no renuncian a esa eficiencia al diseñar para el peor de los casos en el futuro ”, dijo Weber.

Esto se puede hacer en una solución analógica y siempre hay varias formas de llegar allí, pero ¿cuáles son los costos, las compensaciones y el tiempo invertido en desarrollar la solución, agregó.

Usando controladores estándar

Los proveedores están de acuerdo en que es posible utilizar controladores estándar para controlar los dispositivos de SiC, pero tienen que decidir la magnitud de la compensación y esa compensación generalmente implica circuitos adicionales o dispositivos externos más grandes. Como ejemplo, una forma de reducir el timbre y la sobretensión cuando se usa un controlador estándar es aumentando el tamaño de la puerta. Resistencia.

Balogh señaló otros problemas que deben tenerse en cuenta, como las funciones de protección, el bloqueo por subtensión, la operación de frecuencia más alta, la conmutación más rápida y los puntos calientes en la matriz, que pueden tener un impacto en las pérdidas de energía, la EMI y el tamaño.

Además, los circuitos adicionales suelen ocupar mucho más espacio que una solución integrada y SiC dedicado, por lo que hay muchos aspectos negativos y, por esa razón, los diseños de gama alta optan por un controlador central de SiC dedicado, que tiene en cuenta cosas como una conmutación más rápida. , condiciones de sobretensión y problemas relacionados con el ruido y las interferencias electromagnéticas, dijo.

"Siempre se puede utilizar un controlador de puerta estándar, pero debe complementarlo con circuitos adicionales y, por lo general, esa es la compensación", dijo Balogh.

Como ejemplo, para un diseño pequeño de alta densidad de potencia se puede utilizar un controlador de puerta estándar no aislado en un paquete SOT23, dijo Balogh. Los conductores no aislados no son directamente aplicables, pero se puede hacer y mucha gente toma este camino, dijo.

acerca de Analog DevicesInc.Infineon TechnologiesTecnología de microchipTexas Instruments