Comment sélectionner le bon pilote de grille pour votre MOSFET SiC

Carbure de silicium (SiC) mosfet ont fait des percées significatives dans le pouvoir Semi-conducteurs l'industrie grâce à une gamme d'avantages par rapport aux commutateurs à base de silicium. Il s'agit notamment d'une commutation plus rapide, d'une efficacité supérieure, d'une Tension fonctionnement et des températures plus élevées qui se traduisent par des conceptions plus petites et plus légères. Cela les a aidés à trouver des maisons dans une gamme d'applications automobiles et industrielles. Mais les dispositifs à large bande interdite (WBG) comme le SiC présentent également des problèmes de conception, notamment des interférences électromagnétiques (EMI), des conditions de surchauffe et de surtension, qui peuvent être résolus en choisissant le bon pilote de grille.

Étant donné que les pilotes de grille sont utilisés pour piloter le dispositif d'alimentation, il s'agit d'une pièce essentielle du puzzle de l'alimentation. Une façon d'assurer une conception optimisée à l'aide de SiC consiste d'abord à examiner attentivement votre choix du pilote de grille. Simultanément, cela nécessite un examen attentif des exigences clés de votre conception - efficacité, densité et, bien sûr, coût - car il y a toujours des compromis, en fonction des exigences de l'application.

Malgré les avantages inhérents au SiC, la tarification reste un obstacle à l'adoption. Si vous regardez le SiC par rapport au silicium sur une base de comparaison de pièces, cela va être plus cher et difficile à justifier à moins que les concepteurs ne regardent le coût total de la solution, en fonction de la puissance. IC fabricants.

Abordons donc d'abord les applications, les avantages et les compromis du SiC par rapport aux MOSFET en silicium ou IGBTs. Les FET SiC offrent une résistance à l'état passant plus faible (grâce à une tension de claquage plus élevée), une vitesse de saturation élevée pour une commutation plus rapide et une énergie de bande interdite 3 fois plus élevée, ce qui se traduit par une température de jonction plus élevée pour un refroidissement amélioré et une conductivité thermique 3 fois plus élevée, ce qui se traduit par une densité de puissance plus élevée.

Il existe un accord de l'industrie selon lequel les MOSFET Si basse tension et le GaN jouent dans la plage <700 V et au-dessus, c'est là que SiC entre en jeu avec un peu de chevauchement dans la plage de puissance inférieure.

Le SiC remplace principalement les applications de type IGBT au silicium au-dessus de 600 V et au-dessus de 3.3 kW, et encore plus à environ 11 kW, ce qui est vraiment un point idéal pour le SiC, ce qui signifie un fonctionnement haute tension, de faibles pertes de commutation et une valeur plus élevée. étage de puissance à fréquence de commutation, a déclaré Rob Weber, directeur de la gamme de produits, pilote de porte numérique (AgileSwitch), Discrete and Power Management, Microchip Technologie.

Cela permet l'utilisation de filtres et de filtres passifs plus petits et réduit les besoins de refroidissement, a-t-il déclaré. « Nous parlons d'avantages au niveau du système par rapport aux IGBT, ce qui correspond finalement à une réduction de la taille, du coût et du poids.

« Du point de vue des pertes, vous pouvez réduire les pertes jusqu'à 70 %, par exemple, à une fréquence de commutation de 30 kHz, et cela est dû à certaines des différentes caractéristiques du carbure de silicium en termes de champ de claquage, de saturation des électrons. la vitesse, l'énergie de la bande interdite et la conductivité thermique », a déclaré Weber.

La référence que les ingénieurs examinent est l'efficacité, qui se traduit par des niveaux d'amélioration, mais l'autre chose qui se produit de plus en plus dans le SiC est les avantages au niveau du système par rapport aux IGBT, a déclaré Weber.

« Avec le carbure de silicium, vous pouvez fonctionner à une fréquence de commutation plus élevée qui vous permet d'avoir des composants externes plus petits qui entourent l'étage de puissance immédiat, comme des filtres, par exemple, qui sont de gros dispositifs magnétiques lourds ; fonctionner à des températures plus élevées ou fonctionner à une température plus froide en raison des pertes de commutation plus faibles ; remplacer un système refroidi par liquide par un système refroidi par air et réduire la taille du dissipateur thermique », a-t-il expliqué.

Cette réduction de la taille et du poids des composants, qui se traduit par un coût inférieur, signifie que le SiC va bien au-delà d'une meilleure efficacité, a-t-il déclaré.

Cependant, dans une comparaison de prix pièce par pièce, le SiC reste plus cher que les IGBT traditionnels à base de silicium. «Le SiC module coûtera plus cher à chaque fabricant, mais si l'on considère l'ensemble du système, les coûts du système SiC sont inférieurs », a déclaré Weber.

Dans un exemple partagé par Weber, un client a pu réaliser une réduction de six pour cent des coûts du système en utilisant un SiC mosfet.

Une fois que le concepteur a pris la décision de passer au SiC, il doit également réfléchir aux compromis. Pouvoir semi-conducteur les fabricants conviennent qu'il existe des « effets secondaires » comme le bruit, les interférences électromagnétiques et les surtensions qui doivent être traités.

"Lorsque vous changez ces appareils plus rapidement, vous créez potentiellement plus de bruit qui se traduira par des EMI", a déclaré Weber. « De plus, bien que le SiC soit excellent à une tension plus élevée, il est également beaucoup moins robuste que les IGBT à court terme.circuit conditions et vous obtenez une variabilité dans votre tension, vous obtenez donc des conditions de surtension, ce qui oblige certains concepteurs à utiliser des dispositifs SiC à tension plus élevée, afin qu'ils puissent mieux contrôler la surtension et la surchauffe.

C'est là que la sélection du pilote de grille joue un grand rôle. Le SiC a des exigences uniques pour des caractéristiques telles que la tension d'alimentation, la protection rapide contre les courts-circuits et une immunité dv/dt élevée.

Sélection du pilote de grille SiC

Lorsqu'il s'agit de sélectionner le bon pilote de grille pour les commutateurs SiC, il faut un nouvel état d'esprit pour penser à la solution d'alimentation par rapport aux dispositifs à base de silicium. Les domaines clés à examiner incluent la topologie, la tension, la polarisation et les fonctions de surveillance et de protection.

La sélection du pilote de porte est vitale, et historiquement, il était acceptable d'utiliser une approche séquentielle pour sélectionner le pilote de porte, a déclaré Weber. "Avant SiC, vous choisissiez d'abord l'IGBT, puis le pilote de porte, puis les jeux de barres et le condensateur, etc. », a déclaré Weber. «C’est totalement changé. Vous devez examiner l’ensemble de la solution holistique que vous construisez et ces compromis à chaque étape au lieu de cette approche séquentielle que vous avez avec les IGBT. Cela a été une éducation pour beaucoup de clients.

En outre, il existe une variété de pilotes de grille pour SiC qui varient en fonctionnalités et en intégration (et en prix), ciblant des conceptions simples à plus complexes.

À titre d'exemple, Analog Devices Inc. (ADI) organise ses pilotes de grille par classe – fonctions de base, « protection » avec des fonctions de protection telles que la protection contre les surintensités et la détection des défauts, et une configurabilité entièrement programmable. Les pilotes de grille isolée d'ADI sont basés sur la technologie d'isolation iCoupler de la société, combinée à une technologie CMOS haute vitesse et à transformateur monolithique, qui offre un délai de propagation ultra-faible sans sacrifier les performances d'immunité aux transitoires en mode commun (CMTI), selon la société. ADI propose également un portefeuille de cartes d'évaluation et de conceptions de référence qui constituent un bon point de départ pour la conception de produits.

La topologie, le niveau de puissance, les exigences de protection et de sécurité fonctionnelle, et la génération du dispositif SiC utilisé dicteront le type de pilote nécessaire pour l'application, a déclaré Lazlo Balogh, responsable de l'ingénierie système, alimentation haute tension, Texas Instruments Inc.

Par exemple, un pilote non isolé, qui pourrait nécessiter beaucoup de circuits supplémentaires, convient aux applications plus simples, où tout ne doit pas être intégré dans le pilote, a-t-il déclaré.

Il existe également des pilotes isolés qui peuvent gérer les problèmes de polarisation négative et d'isolement, mais auront toujours besoin d'une sorte de surveillance dans le système, jusqu'à des dispositifs offrant une intégration plus poussée, tels que des circuits de surveillance et de protection et la sécurité fonctionnelle pour les applications automobiles, a-t-il ajouté.

« La liste de contrôle pour déployer le SiC de la bonne manière consiste à examiner la topologie et le type de périphériques que vous devez piloter, puis à choisir le pilote de grille, à optimiser le biais, à déterminer le type de protection nécessaire, puis à optimiser la disposition » dit Balogh.

Du point de vue du pilote, il s'agit d'avoir la bonne polarisation, donc la bonne capacité de tension, que vous ayez besoin de pilotes de grille isolés ou non isolés, quelle protection est nécessaire, ce qui est lié au niveau d'intégration [pour la protection et la sécurité] ou comment beaucoup de circuits supplémentaires sont nécessaires, a-t-il ajouté.

L'une des choses qui a un peu entravé le SiC est la réalisation qu'en raison de la vitesse de commutation plus élevée, il doit être placé dans un boîtier où l'inductance de source est éliminée, ce qui est généralement fait avec la connexion de source Kelvin, a déclaré Balogh. . "L'inductance de la source peut être désagréable et provoquer beaucoup de sonneries et des pertes de puissance supplémentaires car elle ralentit l'action de commutation."

"C'est là que l'ingénieur de réseau devient votre meilleur ami, car vous devez vraiment examiner le réseau pour atténuer la sonnerie et l'optimiser pour la commutation à grande vitesse", a déclaré Balogh. Cela inclut de minimiser les inductances de trace et de séparer la boucle de porte de la boucle d'alimentation et de contourner correctement [du chemin de courant commuté et de la large bande de fréquences] en sélectionnant les bons composants, a-t-il ajouté.

Ce qui est vraiment essentiel, c'est de connecter le pilote au commutateur, a déclaré Balogh. Vous devez connecter la masse du conducteur directement à la source de l'interrupteur d'alimentation à cause des inductances parasites qui peuvent augmenter les pertes de commutation, a-t-il déclaré.

Texas Instruments propose un certain nombre de cartes/conceptions de référence qui rapprochent les clients de leurs exigences de performances. Il y a toujours peu de compromis et TI peut les aider à optimiser leurs conceptions en fonction de leurs besoins, par exemple s'ils ont besoin d'une efficacité maximale à pleine charge, a déclaré Balogh. Son conseil : Lisez les notes d'application et contactez les ingénieurs d'application si vous avez des inquiétudes au sujet de la conduite de WBG.

TI propose une gamme de pilotes de grille Si et IGBT, notamment les UCC21710, UCC21732 et UCC21750. Ce sont des pilotes de grille isolés avec des fonctions de protection et de détection intégrées. Les dispositifs offrent un temps de détection rapide pour protéger contre les événements de surintensité tout en assurant un arrêt sécurisé du système.

Mladen Ivankovic, ingénieur d'applications régional chez Infineon Technologies, a déclaré lors de la sélection d'un SiC MOSFET la première question cruciale à poser est « ai-je besoin d'une conduite unipolaire ou bipolaire » pour ce composant.

Il existe des pilotes rapides et robustes sur le marché qui peuvent piloter à la fois le Si et le SiC, mais ce que les gens doivent faire attention lorsqu'ils passent de Si à SiC, c'est comment vous le pilotez, car le silicium est piloté avec une tension typique de 12 volts, a déclaré Ivankovic. . « Vous utilisez 12 V pour allumer et 0 V pour éteindre, de sorte que la plage de tension normale pour le pilote pilotant des composants en silicium ou des MOSFETS à superjonction est de 0 à 12 volts et c'est à travers la carte de tout fournisseur de composants en silicium, il ajouta.

D'un autre côté, les appareils SiC de différents fournisseurs auront des tensions d'allumage/allumage différentes. Il existe des MOSFET SiC sur le marché, par exemple, qui nécessitent +15 V pour l'allumer et -4 V pour l'éteindre, ou +20 V pour allumer et -2 ou -5 V pour éteindre, Ivankovic mentionné. "Cela nécessite un pilote qui permet l'utilisation de tensions positives et négatives."

Mais avec un Infineon SiC, vous n'aurez besoin que d'une plage de tension plus large, a-t-il déclaré. "Donc, au lieu de 0 à 12 V, vous devrez le piloter avec 0 à 18 V et vous pouvez utiliser le même pilote que celui utilisé pour Si ou SiC."

Vous devez donc faire attention à savoir si vous avez besoin d'un pilote de porte unipolaire ou si vous avez besoin à la fois d'un positif et d'un négatif pour piloter correctement le composant, a déclaré Ivankovic.

Infineon a récemment introduit les circuits intégrés de commande de porte analogiques (3ED1xx) et numériques (34ED1xx) améliorés EiceDRIVER X38 pour une gamme d'applications industrielles. Les deux familles sont conçues pour les IGBT ainsi que les MOSFET Si et SiC dans des boîtiers discrets et modulaires. Le 1ED34xx offre un temps de filtre de désaturation réglable et un courant d'arrêt progressif avec des résistances externes et le 1ED38xx offre une configurabilité I2C pour plusieurs paramètres, y compris des fonctions de contrôle et de protection réglables telles que la protection contre les courts-circuits, l'arrêt progressif, le verrouillage de sous-tension, une pince Miller , arrêt en cas de surchauffe et arrêt à deux niveaux (TLTO).

Selon Eric Benedict, ingénieur d'applications senior chez ADI, un autre facteur à prendre en compte est les capacités de capacité de courant de pointe, qu'il a couvertes lors d'un webinaire de session de formation avec Wolfspeed. « Alors, pourquoi est-ce une caractéristique importante dans la conduite des commutateurs ? Dans la plupart des cas, cela se résumera à l'efficacité sous la forme de pertes de commutation réduites. Afin de terminer la transition de commutation, la porte doit fournir suffisamment de charge aux portes pour que le commutateur soit complètement activé. Accélérer la commutation signifie fournir cette charge plus rapidement et puisque le courant est une charge en fonction du temps, une commutation plus rapide signifie plus de courant de commande de grille. Ainsi, le courant de commande de crête sera déterminé par la tension d'alimentation de la grille dans la résistance totale de la boucle de grille.

La mise en garde de Benedict lors de l'examen des fiches techniques est que les fabricants signalent les courants de sortie de leurs pilotes de grille en fonction de différentes conditions de test. "Certains spécifient des courants qui sont récupérés lors d'une impulsion de très court-circuit où vous court-circuitez la sortie tandis que d'autres utilisent des courants qui sont mesurés lorsque vous avez une résistance de porte réaliste, vous devez donc être prudent lorsque vous comparez les spécifications des différents appareils . "

Certains des points clés abordés dans la session de formation incluent l'importance de sélectionner un pilote de grille qui a une capacité de commande suffisante pour tirer parti des fréquences de commutation pour réduire les pertes, offrant une immunité appropriée aux transitoires de mode commun, en se concentrant sur la disposition afin il est réglé pour le SiC, par exemple en minimisant les parasites, et en comprenant que la désaturation ou la protection contre les courts-circuits est différente d'un IGBT.

Pilotes de portail numériques configurables

De nombreux principaux fabricants de circuits intégrés de puissance ont développé des technologies et des solutions uniques de pilote de grille SiC pour traiter certains des effets secondaires ainsi que pour maximiser les avantages du passage à une technologie WBG.

Microchip, par exemple, adopte une approche numérique avec ses pilotes AgileSwitch, qui incluent une technique unique appelée « commutation augmentée ». Un élément clé de cette technique est l'activation/désactivation configurable, offrant une série d'étapes qui contrôlent les niveaux de tension et le temps à ces niveaux de tension. Cela permet aux concepteurs de configurer numériquement les profils d'activation/désactivation via un logiciel, éliminant ainsi le besoin d'apporter des modifications au matériel. La technique comprend également des niveaux supplémentaires de détection de surveillance des défauts et de réponse aux courts-circuits.

Microchip revendique des améliorations significatives : jusqu'à 50 % de pertes de commutation en moins et 80 % de dépassement de tension en moins.

"Une approche analogique traditionnelle convient certainement aux commutateurs au silicium, où bon nombre de ces effets secondaires n'étaient pas des problèmes lors de la conduite d'un IGBT lent, mais le carbure de silicium est un animal entièrement différent", a déclaré Weber.

L'un des éléments clés de la technologie de commande de porte numérique est de protéger très rapidement une condition de court-circuit et d'y répondre de manière sûre, a déclaré Weber.

Microchip a récemment introduit son pilote de porte numérique de génération 2 qui a ajouté de nouveaux niveaux de contrôle sur les appareils de première génération. Les pilotes de grille configurables peuvent être utilisés avec les MOSFET SiC de n'importe quel fournisseur.

Les différences dans les MOSFETS ont à voir avec les tensions d'activation et de désactivation, de sorte que la possibilité de programmer les niveaux de tension +/- même lorsque d'une entreprise à l'autre, ils peuvent avoir des tensions positives et négatives différentes, elles sont toutes configurables via le conducteur de porte, a déclaré Weber.

Weber a déclaré que les clients ont pu réduire leurs cycles de développement et leur temps de développement jusqu'à six mois. « L'idée que vous pouvez utiliser un logiciel pour faire des choses que vous faisiez avec le pistolet à souder ou les re-spins de carte est un état d'esprit différent. Mais vous savez que pour les clients qui ont commencé à l'adopter, ils considèrent que cela change la donne. »

Il a également noté que cela donne aux clients plus de flexibilité, en particulier pendant les périodes de défis de la chaîne d'approvisionnement. « Les entreprises pourront passer d'un fournisseur à l'autre au fur et à mesure que l'approvisionnement sera disponible. »

Microchip implémente le circuit intégré de pilote de porte numérique ASD2 dans une série de produits de carte de pilote de porte, appelés noyaux de pilote de porte - des dispositifs en demi-pont avec des pilotes de porte d'alimentation avec un microprocesseur et un certain niveau de configuration et de contrôle. La société prend également en charge la compatibilité à l'échelle de l'industrie avec une gamme de cartes adaptateurs ou de cartes filles qui permet l'utilisation de différents types de modules standard proposés par Microchip et ses concurrents.

Le pilote de porte numérique permet également aux concepteurs d'optimiser le MOSFET pour l'application d'aujourd'hui au lieu de l'optimiser pendant cinq ou 10 ans pour tenir compte de la dégradation du commutateur au fil du temps ou de l'utilisation.

« Avec nos pilotes, l'une des choses qui intéressent les clients est la capacité d'optimiser pour le MOSFET aujourd'hui avec l'idée qu'avec le temps, si le MOSFET se dégrade, ils peuvent modifier les paramètres pour optimiser autour du MOSFET. De cette façon, ils tirent plus d'efficacité du système aujourd'hui et n'abandonnent pas cette efficacité en concevant pour un futur pire des cas », a déclaré Weber.

Cela peut être fait dans une solution analogique et il y a toujours plusieurs façons d'y arriver, mais quels sont les coûts, les compromis et le temps passé à développer la solution, a-t-il ajouté.

Utilisation de pilotes standards

Les fournisseurs conviennent qu'il est possible d'utiliser des pilotes standard pour contrôler les périphériques SiC, mais ils doivent décider de l'ampleur du compromis et ce compromis implique généralement des circuits supplémentaires ou des périphériques externes plus gros. À titre d'exemple, une façon de réduire la sonnerie et la surtension lors de l'utilisation d'un pilote standard consiste à augmenter la taille de la porte Resistor.

Balogh a noté d'autres problèmes qui doivent être pris en compte, tels que les fonctions de protection, le verrouillage de sous-tension, le fonctionnement à fréquence plus élevée, la commutation plus rapide et les points chauds sur la puce, qui peuvent tous avoir un impact sur les pertes de puissance, les EMI et la taille.

De plus, les circuits supplémentaires prennent généralement beaucoup plus de place qu'une solution intégrée et un SiC dédié, il y a donc beaucoup de points négatifs, et pour cette raison les conceptions haut de gamme optent pour un pilote de base SiC dédié, qui prend en compte des choses comme une commutation plus rapide , les conditions de surtension et les problèmes liés au bruit et aux interférences électromagnétiques, a-t-il déclaré.

"Vous pouvez toujours utiliser un pilote de porte standard, mais vous devez le compléter avec des circuits supplémentaires et c'est généralement le compromis", a déclaré Balogh.

À titre d'exemple, pour une petite conception à haute densité de puissance, un pilote de grille non isolé standard dans un boîtier SOT23 peut être utilisé, a déclaré Balogh. Les conducteurs non isolés ne sont pas directement applicables, mais cela peut être fait et beaucoup de gens empruntent cette voie, a-t-il déclaré.

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