Adopsi silikon karbida telah meningkat secara dramatis dalam beberapa tahun terakhir, berkat kemajuan teknologi yang solid dalam kualitas dan kinerja komponen, ketersediaannya, dan munculnya aplikasi yang memanfaatkan kinerja tersebut. UnitedSiC telah menjalankan strategi inovasi teknologi berkelanjutan, untuk menghadirkan komponen daya Rds(on) terendah di kisaran 650V-1200V [1], dibangun berdasarkan karakteristik luar biasa dan hasil tinggi dari SiC JFET milik kami teknologi.
Dengan peluncuran seri FET Gen 4 (G4) UJ4C SiC baru-baru ini, kami membuka bab berikutnya dalam perluasan penggunaan SiC dalam konversi daya dan aplikasi inverter dengan peningkatan besar dalam karakteristik perangkat, yang bertujuan untuk menyediakan pengguna dengan level berikutnya dari manfaat kinerja dan biaya sistem.
Karakteristik Komparatif dari Teknologi yang Tersedia
Produk UJ4C pertama dari UnitedSiC (lihat Tabel 1) menargetkan peringkat 750V VDS(MAX) dan bukan 650V, untuk menangani aplikasi yang menggunakan Bus DC 500V, sekaligus melayani aplikasi bus 300/400V tradisional. Perangkat ini mempertahankan peringkat gerbang +/-20V, perlindungan ESD bawaan, dan kemampuan untuk menggunakan penggerak gerbang unipolar sederhana yang diaktifkan oleh 5V VTH, yang semuanya merupakan fitur arsitektur cascode SiC FET. Dalam aplikasi frekuensi tinggi, penggerak gerbang serendah 0 hingga 10V dapat digunakan, dengan dampak minimal pada kehilangan konduksi. Resistensi spesifik yang sangat rendah terhadap hal ini teknologi (SiC JFET 0.7mohm-cm2) memungkinkan sekitar setengah resistansi dalam ukuran paket tertentu dibandingkan dengan MOSFET SiC 650V.
Pada resistensi tertentu, keripik menyusut, yang mengarah ke kapasitansi yang jauh lebih rendah. Hal ini pada gilirannya menyebabkan kerugian switching yang lebih rendah. Paket TO247-3L dan 4L menggunakan teknologi sinter Ag untuk meningkatkan ketahanan termal sehubungan dengan penipisan chip, untuk mengurangi efek cetakan JFET yang lebih kecil, dan memungkinkan RTHJC ketahanan termal sambungan-ke-kotak yang sangat baik untuk dicapai. Perangkat ini mempertahankan kemampuan untuk menangani peristiwa longsoran salju dan sangat baik dalam menangani peristiwa longsoran arus tinggi energi rendah hingga arus pengenal 2X. Perilaku kuadran ketiga yang sangat baik dengan VFSD rendah (<1.5V) dan QRR independen suhu rendah adalah fitur lain dari SiC FETs, dan perangkat G4 memiliki QRR yang jauh lebih sedikit daripada perangkat G3 sebelumnya, didorong oleh pengurangan COSS.
Pada Tabel 2, kami membandingkan parameter teknologi untuk SiC yang canggih MOSFET, Perangkat Superjuncton dan G4 SiC FETs. Baris yang menunjukkan RDSA menunjukkan resistansi mohm-cm2 area chip aktif pada 25C dan 125C. Ini adalah resistansi JFET yang digunakan untuk membangun cascode SiC FET, dan resistansi tambahan dari LVMOS dapat menambah 10% ke angka ini. 5V VTH dari G4 SiC FET bersama dengan drive gerbang 0 hingga 12V adalah unik dan memberikan gambaran terbaik Qg.V untuk kehilangan drive gerbang. Mengoperasikan perangkat ini pada 500kHz-1MHz dapat dilakukan tanpa terlalu panas pada driver gerbang standar.
Kaskode konstruksi memungkinkan penurunan dioda tubuh VFSD terendah yang tersedia dari semua opsi celah pita lebar, memungkinkan penggunaan perangkat ini dalam mode rektifikasi non-sinkron. Karena kinerja pemulihan terbalik, QRR juga sangat baik, keseluruhan figur-of-merit VF * QRR tidak tertandingi untuk G4 SiC FETs. Hal ini memungkinkan kinerja peralihan keras yang sangat baik dan mencegah kegagalan perangkat di sirkuit ZVS jika peralihan keras terjadi dalam kondisi beban apa pun. Angka-angka keunggulan RDS * EOSS dan RDS * COSS, TR berdasarkan resistansi kaskode bersih digunakan untuk menilai kemampuan fundamental teknologi untuk aplikasi hard dan soft-switching dan dapat dilihat sebagai yang terbaik di kelasnya. Perangkat ini dapat memungkinkan implementasi yang lebih sederhana dari sirkuit soft-switched frekuensi tinggi seperti LLC, CLLC, DAB dan PSFB.
Tabel 1: Parameter kunci dari produk FET SiC Gen 4 pertama
Tabel 2: Perbandingan parameter untuk G4 750V SiC FET dengan 650V SiC MOSFET yang serupa dan FET dioda cepat Superjunction 600V
Mengalihkan bentuk gelombang dan mengatur kecepatan pengalihan Gambar 1 menunjukkan bentuk gelombang pengalihan setengah jembatan dari perangkat 60mohm dan 18mohm 750V dalam paket TO247-4L yang masing-masing diukur pada 400V, 20A dan 50A. Bentuk gelombang ditunjukkan dengan membandingkan Rg besar untuk mengontrol turn-on dan turn-off vs. menggunakan snubber RC di seluruh perangkat dengan Rg rendah di gerbang. Kedua sirkuit menggunakan snubber RC dari bus DC ke ground, disebut snubber bus [2].
Baris atas Gambar 1 menunjukkan perilaku switching dari 60m, 750V SiC FET UJ4C075018K4S. Perbedaan turn-on loss hanya menggunakan Rg = 25ohm (171uJ) vs Rg rendah 1ohm bersama dengan snubber RC sumber drain 10hm 95pF (142uJ) kecil. Pengaktifan di / dt secara signifikan lebih lambat dengan Rg = 25ohm, tetapi arus pemulihan puncak tidak jauh berbeda. DV / dt maksimum selama pengaktifan serupa, karena disetel oleh SiC JFET, dan tidak diubah oleh Rg yang diterapkan ke LV MOSFET di SiC FET. Penundaan penyalaan lebih tinggi dengan 25ohm Rg.
Perilaku mematikan untuk kasus yang menggunakan 20ohm Rgoff (37uJ), vs Rgoff 1ohm bersama dengan snubber RC sumber drain 10hm 95pF (17uJ), menunjukkan bahwa menggunakan snubber, kerugian yang lebih rendah dapat diperoleh, sementara mempertahankan penundaan mematikan yang singkat dan overshoot VDS yang agak lebih rendah dan dering yang berkurang. Kerugian yang ditampilkan termasuk snubber
kerugian, yang diekstraksi secara terpisah dalam lembar data, dan sangat kecil [2, 3]. Namun, pada arus yang lebih rendah seperti 20A, snubber tidak diperlukan dalam banyak aplikasi, karena kerugian tambahan dengan kontrol Rg sederhana tidak berlebihan. Penggunaan bus snubber masih disarankan, karena ini meningkatkan kinerja dering dengan dampak kerugian yang minimal.
Namun pada 50A, bentuk gelombang yang menggunakan snubber jauh lebih unggul dan memungkinkan pengurangan total kehilangan peralihan EON + EOFF hingga hampir 36%. Menggunakan Rg rendah, waktu tunda juga bisa tetap rendah. Pada kurva bawah pada Gambar 1, data switching pada 50A, 400V untuk UJ4C075018K4S (18m, 750V) dibandingkan untuk kasus yang menggunakan 25ohm Rgon / 50ohm Rgoff vs. a Rg = 1ohm dengan snubber RC 10ohm, 300pF melintasi drain-source dari setiap perangkat. Rg rendah 1ohm hanya dapat digunakan jika snubber ada untuk mengelola overshoot dan dering. Pengaturan ini memungkinkan pengalihan pada di / dt yang jauh lebih cepat dengan waktu tunda penyalaan yang berkurang. Kerugian turn-on (termasuk kerugian snubber) sekarang terlihat menjadi 418uJ vs 483uJ didorong oleh operasi yang lebih cepat di / dt. Namun perlu dicatat, bahwa di / dt yang lebih cepat ini tidak disertai dengan peningkatan yang signifikan pada arus pemulihan puncak.
Demikian pula, bentuk gelombang mati 50A, 400V di kanan bawah Gambar 1 menunjukkan bahwa peralihan yang jauh lebih cepat dan waktu tunda yang berkurang dengan kotak snubber Rg = 1ohm plus RC dicapai tanpa overshoot VDS yang berlebihan atau dering fase node. Waktu tunda turn-off dijaga sangat singkat juga. Mengingat bahwa EOFF dengan Rg = 1ohm dengan snubber RC hanya 55uJ dibandingkan dengan 255uJ saat 50ohm Penghambat digunakan untuk menurunkan kelebihan tegangan ke tingkat yang sebanding, jelas bahwa penggunaan snubber sangat menguntungkan untuk aplikasi arus yang lebih tinggi >20A.
Pilihan snubber yang tepat dapat bergantung pada aplikasinya, secara keseluruhan sirkit induktansi, dan level arus puncak untuk mematikan, dan mungkin tidak diperlukan jika arus di bawah 25A. Kerugian di snubber Penghambat paling baik diukur secara langsung dengan mengintegrasikan kerugian V2/R saat menghidupkan dan mematikan. Nilai-nilai ini ditunjukkan dalam lembar data produk [2] dan 1.7uJ pada 20A, 400V untuk UJ4C075060K4S dengan snubber 10ohm, 95pF dan 9.5uJ pada 50A, 400V untuk UJ4C075018K4S dengan snubber 10ohm, 300pF.
Direkomendasikan agar perangkat hanya menggunakan drive gerbang 0 hingga 12V atau 15V, meskipun dengan perubahan yang sesuai pada nilai RG [4], -5V hingga 15/18 / 20V dan rel tegangan gerbang umum lainnya semuanya dapat digunakan. Seringkali 0 hingga 10V digunakan saat beralih di atas 300kHz. Gambar 2 membandingkan bentuk gelombang switching setengah jembatan untuk perangkat 18m, 750V dan 60m, 750V menggunakan paket TO247-4L vs TO247-3L, dengan penggerak gerbang 0-15V, hanya menggunakan snubber bus. Bagian atas
baris menunjukkan bentuk gelombang hidupkan dan matikan untuk perangkat 60m, 750V menggunakan Rgon = 1ohm yang sama, Rgoff = 20ohm untuk kedua perangkat. Garis solid untuk paket 3L, sedangkan garis putus-putus untuk TO247-4L.
Turn-on di / dt yang lebih cepat, tentu saja, diharapkan untuk TO247-4L karena induktansi common-source dilewati, yang mengarah ke EON yang lebih rendah meskipun puncak arus lebih tinggi. Dering gerbang VGS jauh lebih baik menggunakan TO247-4L. Dering VGS untuk TO247-4L juga lebih baik saat dimatikan, meskipun di sini, overshoot VDS puncak lebih rendah dengan paket 3L bersama dengan EOFF yang lebih tinggi.
Bagian bawah dari Gambar 2 melihat penggunaan dua jenis paket untuk 50A, peralihan 400V dari perangkat 18m, 750V di setengah jembatan, masing-masing dengan snubber 10ohm, 300pF, Rg = 1ohm dan gerbang drive 0-15V. Sekarang ada perbedaan yang jauh lebih besar dalam bentuk gelombang dan kehilangan perpindahan antara tipe paket 3L dan 4L. Perangkat 3L memiliki turn-on yang jauh lebih tinggi (1.67x) dan turn-off loss (4X) dengan overshoot VDS dan dV / dts yang serupa, dan dengan dering VGS yang lebih besar, terutama saat turn-off. Jelas, untuk menggunakan paket TO247 pada arus yang lebih tinggi, menggunakan kombinasi paket 4L dengan snubber RC perangkat memungkinkan kinerja puncak dengan bentuk gelombang switching yang dikelola dengan baik.
Gambaran Umum Manfaat Aplikasi
Sekarang kita dapat melihat bagaimana fitur FET SiC G4 ini berdampak pada berbagai aplikasi perangkat. Gambar 3a menunjukkan contoh penggunaan 60m, 750V dalam Totem Pole PFC 3.6KW sirkit. itu Semikonduktor efisiensi diplot dihitung dari konduksi yang diukur dan kehilangan sakelar perangkat, memperhitungkan kenaikan suhu, tetapi tidak termasuk pengontrol, Induktor atau kerugian sistem lainnya. Konduksi rendah dan kerugian switching, pemulihan dioda yang sangat baik, dan penggerak gerbang sederhana mengarah pada efisiensi tinggi yang terlihat di sini. Efisiensi ini memenuhi atau mengalahkan yang dapat dicapai oleh SiC yang lebih mahal MOSFET opsi yang memerlukan penggerak gerbang yang lebih kompleks. Paket TO3 versi 4L dan 247L didukung. Gambar 3b menunjukkan data yang sama, membandingkan efisiensi dengan TPPFC lambat yang diganti dengan dioda penyearah Si, bukan SiC FET.
Gambar 3: Semikonduktor efisiensi menggunakan berbagai FET SiC dalam Totem-Pole PFC sirkit pada perhitungan 65kHz hanya untuk kerugian pada perangkat daya. Plot di sebelah kiri menggunakan SiC FET untuk fast switching dan slow switching leg, sedangkan plot di sebelah kanan membandingkan perbedaan menggunakan SiC FET di fast leg (1x UF3C065030K3S), dengan dioda penyearah Si di slow leg. Opsi dioda Si mengurangi efisiensi sekitar 0.2%. Istilah 1Ph 2P menunjukkan 1 Fase dengan 2 bagian secara paralel. Perangkat UF3C adalah perangkat G3, disertakan di sini untuk menunjukkan performa relatif terhadap perangkat UJ4C G4
Tabel 3: Kerugian semikonduktor di sirkuit 3600W LLC menggunakan G4 SiC FETs pada berbagai frekuensi. Efisiensi yang sangat tinggi dimungkinkan, dengan setiap perangkat berkontribusi <6.27W kerugian bahkan pada 500kHz
hemat biaya, menghemat dua transistor dan drive gerbang, tetapi penurunan efisiensi 0.2% terjadi pada jalur tinggi. Sementara satu FET 60mohm cukup untuk aplikasi 1.5KW, satu unit 18mohm, atau dua dari 60m yang disejajarkan paling baik untuk 3 hingga 3.6KW. Opsi perangkat 18mohm tunggal membutuhkan daya penggerak gerbang yang lebih rendah dan mengkonsumsi lebih sedikit ruang.
Tabel 3 adalah estimasi serupa dari Semikonduktor kerugian menggunakan FET SiC 60m dan 18m, 750V dalam aplikasi LLC 3600W. Kerugian konduksi, drive gerbang, dan dioda ditambahkan untuk memperkirakan kerugian bersih per perangkat pada beban maksimum. Menggunakan 2 FET SiC 60 m paralel atau FET SiC 18 m tunggal, kerugian dapat disimpan di bawah 6.3 W per FET bahkan pada 500 kHz, memungkinkan efisiensi yang sangat tinggi dengan kebutuhan minimal untuk heat sink. Sementara kerugian didominasi oleh kerugian konduksi, kontribusi relatif dari turn-off, drive gerbang dan kerugian konduksi dioda juga ditampilkan, dan terlihat sangat rendah dengan menggunakan karakteristik FET SiC G4.
Penggunaan UnitedSiC FET menyediakan jalur sederhana menuju efisiensi yang lebih tinggi dalam aplikasi soft switch ini tanpa perlu banyak mengubah drive gerbang. Dalam hal ini, ketika operasi ZVS hilang, kemampuan perangkat untuk beralih keras tanpa pemulihan dioda yang buruk memastikan tidak ada kegagalan yang terjadi. Ruang kepala tegangan tambahan juga membantu masa pakai medan yang lebih lama saat dibutuhkan.
Kesimpulan
Pada artikel ini, kami meninjau parameter FET SiC G4 UJ4C 750V baru dari UnitedSiC dibandingkan dengan MOSFET SiC dan FET Superjunction di kelas 600/650V. Kami kemudian menyelidiki karakteristik peralihan perangkat dalam paket TO247-4L dan TO247-3L dan mendemonstrasikan manfaat menggunakan paket TO247-4L dan untuk arus >25A, nilai snubber RC untuk mengelola bentuk gelombang peralihan sekaligus meminimalkan kerugian. Kami menggunakan parameter perangkat yang diketahui untuk mengekstrak kerugian baik dalam contoh Totem-Pole PFC dan LLC, menunjukkan bagaimana perangkat ini dapat memungkinkan jalur menuju efisiensi 80Plus Titanium dengan implementasi penggerak gerbang sederhana. Keunggulan dalam aplikasi hard-switched dan soft-switched, ditambah dengan gate drive yang lebih mudah dan margin 100V ekstra, menjadikannya entri baru yang menarik di dunia transistor SiC yang berkembang pesat yang menargetkan rentang aplikasi 600-750V pada pengisi daya EV, EV Konverter DC-DC, Pusat Data, Tenaga Telekomunikasi, Energi Terbarukan dan Penyimpanan Energi. Banyak informasi tambahan dapat ditemukan di situs web UnitedSiC.