Cara memilih driver gerbang yang tepat untuk MOSFET SiC Anda

Silikon-karbida (SiC) MOSFET telah membuat terobosan signifikan dalam kekuatan Semikonduktor industri berkat berbagai manfaat dibandingkan sakelar berbasis silikon. Ini termasuk peralihan yang lebih cepat, efisiensi yang lebih tinggi, lebih tinggi tegangan operasi, dan suhu yang lebih tinggi yang menghasilkan desain yang lebih kecil dan lebih ringan. Ini telah membantu mereka menemukan rumah di berbagai aplikasi otomotif dan industri. Namun perangkat wide bandgap (WBG) seperti SiC juga menghadirkan tantangan desain, termasuk interferensi elektromagnetik (EMI), panas berlebih, dan kondisi tegangan berlebih, yang dapat diselesaikan dengan memilih driver gerbang yang tepat.

Karena driver gerbang digunakan untuk menggerakkan perangkat daya, ini adalah bagian penting dari teka-teki daya. Salah satu cara untuk memastikan desain yang dioptimalkan menggunakan SiC termasuk terlebih dahulu mempertimbangkan dengan cermat pilihan driver gerbang Anda. Pada saat yang sama, hal ini memerlukan pengamatan yang cermat terhadap persyaratan utama desain Anda – efisiensi, kepadatan, dan, tentu saja, biaya – karena selalu ada trade-off, tergantung pada persyaratan aplikasi.

Terlepas dari manfaat yang melekat pada SiC, penetapan harga masih menjadi penghalang untuk adopsi. Jika Anda melihat SiC versus silikon berdasarkan perbandingan bagian, itu akan menjadi lebih mahal dan sulit untuk dibenarkan kecuali jika desainer melihat total biaya solusi, menurut kekuatan IC produsen.

Jadi pertama-tama mari kita bahas aplikasi, manfaat, dan trade-off SiC versus silikon MOSFET atau IGBTS. FET SiC menawarkan resistansi yang lebih rendah (berkat tegangan tembus yang lebih tinggi), kecepatan saturasi yang tinggi untuk peralihan yang lebih cepat, dan energi celah pita 3× lebih tinggi, yang menghasilkan suhu sambungan yang lebih tinggi untuk pendinginan yang lebih baik, dan konduktivitas termal 3× lebih tinggi, yang mana diterjemahkan ke dalam kepadatan daya yang lebih tinggi.

Ada kesepakatan industri bahwa MOSFET dan GaN Si tegangan rendah bermain di kisaran <700-V dan di atasnya, di situlah SiC berperan dengan sedikit tumpang tindih dalam rentang daya yang lebih rendah.

SiC sebagian besar menggantikan aplikasi tipe IGBT silikon di atas 600 V dan di atas 3.3 kW, dan terlebih lagi pada daya sekitar 11 kW, yang merupakan pilihan tepat untuk SiC, yang berarti pengoperasian tegangan tinggi, rugi-rugi peralihan yang rendah, dan daya yang lebih tinggi. peralihan tahap daya frekuensi, kata Rob Weber, direktur lini produk, driver gerbang digital (AgileSwitch), Manajemen Diskrit dan Daya, Microchip Teknologi.

Hal ini memungkinkan penggunaan filter dan pasif yang lebih kecil dan mengurangi kebutuhan pendinginan, katanya. “Kita berbicara tentang manfaat tingkat sistem versus IGBT, yang pada akhirnya adalah pengurangan ukuran, biaya, dan bobot.

“Dari perspektif kerugian, Anda dapat mengurangi kerugian hingga 70 persen, misalnya, pada frekuensi switching 30-kHz, dan itu adalah hasil dari beberapa karakteristik silikon karbida yang berbeda dalam hal bidang penguraian, saturasi elektron. kecepatan, energi celah pita, dan konduktivitas termal,” kata Weber.

Tolok ukur yang dilihat oleh para insinyur adalah efisiensi, yang menghasilkan tingkat peningkatan, tetapi hal lain yang semakin sering terjadi di SiC adalah manfaat tingkat sistem dibandingkan IGBT, kata Weber.

“Dengan silikon karbida Anda dapat beroperasi pada frekuensi switching yang lebih tinggi yang memungkinkan Anda memiliki komponen eksternal yang lebih kecil yang mengelilingi tahap daya langsung seperti filter, misalnya, yang merupakan perangkat magnet besar dan berat; beroperasi pada suhu yang lebih tinggi atau beroperasi lebih dingin karena kerugian switching yang lebih rendah; mengganti sistem berpendingin cairan dengan sistem berpendingin udara, dan mengecilkan ukuran heat sink,” jelasnya.

Pengurangan komponen dalam ukuran dan berat ini, yang berarti biaya yang lebih rendah, berarti bahwa SiC jauh melampaui efisiensi yang lebih baik, katanya.

Namun, jika dibandingkan harga suku cadang, SiC masih lebih mahal dibandingkan IGBT tradisional berbasis silikon. “SIC modul akan lebih mahal dari setiap produsen, namun jika Anda melihat keseluruhan sistem, biaya sistem SiC lebih rendah,” kata Weber.

Dalam contoh yang dibagikan oleh Weber, satu pelanggan dapat mencapai pengurangan enam persen dalam biaya sistem saat menggunakan SiC MOSFET.

Setelah perancang membuat keputusan untuk beralih ke SiC, mereka juga perlu mempertimbangkan dampaknya. Kekuatan semikonduktor produsen setuju bahwa ada “efek sekunder” seperti kebisingan, EMI, dan tegangan berlebih yang harus diatasi.

“Saat Anda mengganti perangkat ini lebih cepat, Anda berpotensi menciptakan lebih banyak suara yang akan diterjemahkan ke dalam EMI,” kata Weber. “Selain itu, meskipun SiC bagus pada tegangan yang lebih tinggi, ia juga jauh kurang kuat daripada IGBT untuk jangka pendek.sirkit kondisi dan Anda mendapatkan variabilitas dalam voltase Anda, sehingga Anda mendapatkan kondisi voltase lebih, yang menyebabkan beberapa desainer menggunakan perangkat SiC dengan peringkat voltase lebih tinggi, sehingga mereka dapat mengontrol voltase lebih dan panas berlebih.”

Di sinilah pemilihan pengemudi gerbang memainkan peran besar. SiC memiliki persyaratan unik untuk karakteristik seperti tegangan suplai, perlindungan hubung singkat yang cepat, dan kekebalan dv/dt yang tinggi.

Memilih driver gerbang SiC

Ketika memilih driver gerbang yang tepat untuk sakelar SiC, dibutuhkan pola pikir baru dalam memikirkan solusi daya dibandingkan dengan perangkat berbasis silikon. Area utama yang harus dilihat termasuk topologi, tegangan, bias, dan fitur pemantauan dan perlindungan.

Pemilihan pengemudi gerbang sangatlah penting, dan secara historis tidak masalah jika menggunakan pendekatan sekuensial dalam memilih pengemudi gerbang, kata Weber. “Sebelum SiC, Anda akan memilih IGBT terlebih dahulu, lalu driver gerbang, lalu busbar, dan kapasitor, dll.,” kata Weber. “Ini berubah total. Anda harus melihat keseluruhan solusi holistik yang Anda bangun dan pengorbanannya di setiap langkah, bukan pendekatan berurutan yang Anda lakukan dengan IGBT. Ini merupakan edukasi bagi banyak pelanggan.”

Selain itu, ada berbagai driver gerbang untuk SiC yang beragam dalam fitur dan integrasi (dan harga), menargetkan desain yang sederhana hingga yang lebih kompleks.

Sebagai contoh, Analog Devices Inc. (ADI) mengatur driver gerbangnya berdasarkan kelas - fungsi dasar, "melindungi" dengan fitur perlindungan seperti perlindungan arus lebih dan deteksi kesalahan, dan konfigurasi penuh yang dapat diprogram. Driver gerbang terisolasi ADI didasarkan pada teknologi isolasi iCoupler perusahaan yang dikombinasikan dengan CMOS berkecepatan tinggi dan teknologi transformator monolitik, yang memberikan penundaan propagasi sangat rendah tanpa mengorbankan kinerja common-mode transient immunity (CMTI), menurut perusahaan. ADI juga menawarkan portofolio papan evaluasi dan desain referensi yang memberikan titik awal yang baik untuk desain produk.

Topologi, tingkat daya, perlindungan dan persyaratan keselamatan fungsional, dan generasi perangkat SiC yang digunakan akan menentukan jenis driver yang dibutuhkan untuk aplikasi, kata Lazlo Balogh, pimpinan teknik sistem, daya tegangan tinggi, Texas Instruments Inc.

Misalnya, driver yang tidak terisolasi, yang mungkin memerlukan banyak sirkuit ekstra, bagus untuk aplikasi yang lebih sederhana, di mana tidak semuanya harus diintegrasikan ke dalam driver, katanya.

Ada juga pengemudi terisolasi yang dapat menangani bias negatif dan masalah isolasi tetapi masih memerlukan semacam pemantauan dalam sistem, hingga perangkat yang menawarkan integrasi lebih lanjut seperti sirkuit pemantauan dan perlindungan serta keselamatan fungsional untuk aplikasi otomotif, tambahnya.

“Checklist untuk menerapkan SiC dengan cara yang benar adalah dengan melihat topologi dan jenis perangkat apa yang harus Anda kendarai kemudian memilih driver gerbang, mengoptimalkan bias, mencari tahu jenis perlindungan apa yang dibutuhkan, dan kemudian mengoptimalkan tata letaknya,” kata Balogh.

Dari sudut pandang pengemudi, ini memiliki bias yang tepat, sehingga kemampuan tegangan yang tepat, apakah Anda memerlukan driver gerbang yang terisolasi atau tidak, berapa banyak perlindungan yang diperlukan, yang terkait dengan tingkat integrasi [untuk perlindungan dan keselamatan] atau bagaimana banyak sirkuit ekstra diperlukan, tambahnya.

Salah satu hal yang sedikit menghambat SiC adalah kesadaran bahwa, karena kecepatan switching yang lebih tinggi, perlu dimasukkan ke dalam paket di mana induktansi sumber dihilangkan, yang biasanya dilakukan dengan koneksi sumber Kelvin, kata Balogh . "Sumber induktansi bisa menjadi buruk dan menyebabkan banyak dering dan kehilangan daya tambahan karena memperlambat tindakan switching."

“Di sinilah layout engineer menjadi teman terbaik Anda karena Anda benar-benar harus melihat tata letak untuk mengurangi dering dan mengoptimalkannya untuk perpindahan kecepatan tinggi,” kata Balogh. Ini termasuk meminimalkan jejak induktansi dan memisahkan loop gerbang dari loop daya dan bypass yang tepat [dari jalur arus yang diaktifkan dan pita frekuensi yang luas] dengan memilih komponen yang tepat, tambahnya.

Yang benar-benar penting adalah menghubungkan pengemudi ke sakelar, kata Balogh. Anda harus menghubungkan ground driver langsung ke sumber saklar daya karena induktansi nyasar yang dapat meningkatkan kerugian switching, katanya.

Texas Instruments menawarkan sejumlah papan/desain referensi yang membuat pelanggan mendekati persyaratan kinerja mereka. Selalu ada sedikit pengorbanan dan TI dapat membantu mereka mengoptimalkan desain mereka berdasarkan kebutuhan mereka, seperti jika mereka membutuhkan efisiensi puncak pada beban penuh, kata Balogh. Sarannya: Baca catatan aplikasi dan hubungi teknisi aplikasi jika Anda memiliki masalah dalam mengemudikan WBG.

TI menawarkan berbagai driver gerbang Si dan IGBT, termasuk UCC21710, UCC21732, dan UCC21750. Ini adalah driver gerbang terisolasi dengan fitur perlindungan dan penginderaan terintegrasi. Perangkat menyediakan waktu deteksi yang cepat untuk melindungi terhadap peristiwa arus lebih sambil memastikan sistem shutdown yang aman.

Mladen Ivankovic, insinyur aplikasi regional, Infineon Technologies, mengatakan saat memilih SiC MOSFET pertanyaan penting pertama yang harus ditanyakan adalah 'apakah saya memerlukan penggerak unipolar atau bipolar' untuk komponen tersebut.

Ada driver yang cepat dan kuat di pasaran yang dapat menggerakkan Si dan juga SiC, tetapi yang perlu diwaspadai orang saat berpindah dari Si ke SiC adalah cara mengemudinya karena silikon digerakkan dengan voltase tipikal 12 volt, kata Ivankovic . “Anda menggunakan 12-V untuk menghidupkan dan menggunakan 0 V untuk mematikan, jadi rentang tegangan normal untuk pengemudi yang menggerakkan komponen silikon atau MOSFET superjunction adalah 0 hingga 12 volt dan itu berlaku untuk semua pemasok komponen silikon, dia menambahkan.

Di sisi lain, perangkat SiC dari vendor yang berbeda akan memiliki voltase nyala/nyala yang berbeda. Ada MOSFET SiC di pasaran, misalnya, yang membutuhkan +15 V untuk menyalakannya dan -4 V untuk mematikannya, atau +20 V untuk menghidupkan dan -2 atau -5 V untuk mematikan, Ivankovic dikatakan. “Ini membutuhkan driver yang memungkinkan penggunaan tegangan positif dan negatif.”

Tetapi dengan Infineon SiC, Anda hanya membutuhkan rentang tegangan yang lebih lebar, katanya. “Jadi, alih-alih 0 hingga 12 V, Anda harus mengendarainya dengan 0 hingga 18 V dan Anda dapat menggunakan driver yang sama dengan yang digunakan untuk Si atau SiC.”

Jadi Anda harus berhati-hati tentang apakah Anda memerlukan driver gerbang unipolar atau Anda memerlukan positif dan negatif untuk menggerakkan komponen dengan benar, kata Ivankovic.

Infineon baru-baru ini memperkenalkan IC driver gerbang analog EiceDRIVER X3 Enhanced (1ED34xx) dan digital (1ED38xx) untuk berbagai aplikasi industri. Kedua keluarga dirancang untuk IGBT serta MOSFET Si dan SiC dalam paket diskrit dan modul. 1ED34xx menawarkan waktu filter desaturasi yang dapat disesuaikan dan arus matikan lunak dengan resistor eksternal dan 1ED38xx menyediakan konfigurasi I2C untuk beberapa parameter, termasuk fungsi kontrol dan perlindungan yang dapat disesuaikan seperti perlindungan hubung singkat, soft-off, penguncian undervoltage, penjepit Miller , penonaktifan suhu berlebih, dan penonaktifan dua tingkat (TLTO).

Pertimbangan pengemudi gerbang lainnya adalah kemampuan kapasitas puncak saat ini, menurut Eric Benedict, insinyur aplikasi senior, di ADI, yang ia bahas dalam webinar sesi pelatihan dengan Wolfspeed. “Jadi, mengapa itu menjadi fitur penting dalam menggerakkan sakelar? Dalam kebanyakan kasus itu akan turun ke efisiensi dalam bentuk pengurangan kerugian switching. Untuk menyelesaikan transisi pensaklaran, gerbang perlu mengirimkan muatan yang cukup ke gerbang sehingga sakelar sepenuhnya menyala. Mempercepat peralihan berarti mengirimkan muatan ini lebih cepat dan karena arus adalah muatan versus waktu, peralihan yang lebih cepat berarti lebih banyak arus penggerak gerbang. Jadi arus penggerak puncak akan ditentukan oleh tegangan suplai gerbang dalam resistansi total di loop gerbang.

Peringatan Benedict ketika melihat lembar data adalah bahwa produsen melaporkan arus keluaran driver gerbang mereka berdasarkan kondisi pengujian yang berbeda. “Beberapa menentukan arus yang diambil selama pulsa hubung singkat di mana Anda mempersingkat output sementara yang lain menggunakan arus yang diukur ketika Anda memiliki beberapa resistansi gerbang realistis yang ada, jadi Anda perlu berhati-hati saat membandingkan spesifikasi dari perangkat yang berbeda. .”

Beberapa poin penting yang dibahas dalam sesi pelatihan termasuk pentingnya memilih driver gerbang yang memiliki kemampuan drive yang cukup untuk mengambil keuntungan dari frekuensi switching untuk menurunkan kerugian, memberikan kekebalan yang tepat untuk mode umum transien, fokus pada tata letak sehingga itu disetel untuk SiC, seperti meminimalkan parasit, dan memahami bahwa desaturasi atau perlindungan hubung singkat berbeda dari IGBT.

Driver gerbang digital yang dapat dikonfigurasi

Banyak produsen IC daya terkemuka telah mengembangkan teknologi dan solusi driver gerbang SiC yang unik untuk mengatasi beberapa efek sekunder serta untuk memaksimalkan manfaat beralih ke teknologi WBG.

Microchip, misalnya, mengambil pendekatan digital dengan driver AgileSwitch-nya, yang mencakup teknik unik yang disebut "Augmented Switching." Elemen kunci dari teknik ini adalah turn-on/turn-off yang dapat dikonfigurasi, menawarkan serangkaian langkah yang mengontrol level tegangan dan waktu pada level tegangan tersebut. Hal ini memungkinkan desainer untuk mengkonfigurasi profil turn-on/turn-off secara digital melalui perangkat lunak, menghilangkan kebutuhan untuk membuat perubahan pada perangkat keras. Teknik ini juga mencakup tingkat tambahan deteksi pemantauan kesalahan dan respons hubung singkat.

Microchip mengklaim peningkatan yang signifikan: kerugian switching hingga 50 persen lebih rendah dan overshoot tegangan 80 persen lebih rendah.

"Pendekatan analog tradisional tentu baik untuk sakelar silikon, di mana banyak dari efek sekunder ini tidak menjadi masalah dalam menggerakkan IGBT yang lambat tetapi silikon karbida adalah hewan yang sama sekali berbeda," kata Weber.

Salah satu elemen kunci dari teknologi penggerak gerbang digital adalah melindungi kondisi korsleting dengan sangat cepat dan kemudian meresponsnya dengan cara yang aman, kata Weber.

Microchip baru-baru ini memperkenalkan driver gerbang digital Generasi 2 yang menambahkan tingkat kontrol baru atas perangkat generasi pertama. Driver gerbang yang dapat dikonfigurasi dapat digunakan dengan MOSFET SiC pemasok mana pun.

Perbedaan MOSFET berkaitan dengan voltase nyala dan mati, sehingga kemampuan untuk memprogram level voltase +/- bahkan ketika perusahaan ke perusahaan mereka mungkin memiliki voltase positif dan negatif yang berbeda, ini semua dapat dikonfigurasi melalui pengemudi gerbang, kata Weber.

Weber mengatakan pelanggan dapat mengurangi siklus pengembangan dan waktu pengembangan hingga enam bulan. “Gagasan bahwa Anda dapat menggunakan perangkat lunak untuk melakukan hal-hal yang biasa Anda lakukan dengan pistol solder atau putaran ulang papan adalah pola pikir yang berbeda. Tetapi Anda tahu untuk pelanggan yang sudah mulai mengadopsinya, mereka menganggapnya mengubah permainan. ”

Dia juga mencatat itu memberi pelanggan lebih banyak fleksibilitas terutama selama masa tantangan rantai pasokan. “Perusahaan akan dapat berpindah antar pemasok karena pasokan tersedia.”

Microchip mengimplementasikan IC driver gerbang digital ASD2 dalam serangkaian produk papan driver gerbang, yang disebut sebagai inti driver gerbang – perangkat setengah jembatan dengan driver gerbang catu daya dengan mikroprosesor dan beberapa tingkat konfigurasi dan kontrol. Perusahaan juga mendukung kompatibilitas industri dengan jajaran papan adaptor atau kartu anak yang memungkinkan penggunaan berbagai jenis modul standar industri yang ditawarkan oleh Microchip dan pesaing.

Driver gerbang digital juga memungkinkan desainer untuk mengoptimalkan MOSFET untuk aplikasi saat ini alih-alih mengoptimalkan selama lima atau 10 tahun untuk memperhitungkan degradasi sakelar dari waktu ke waktu atau penggunaan.

“Dengan driver kami, salah satu hal yang dilihat dan diminati pelanggan adalah kemampuan untuk mengoptimalkan MOSFET hari ini dengan gagasan bahwa seiring waktu jika MOSFET menurun, mereka dapat mengubah pengaturan untuk mengoptimalkan di sekitar MOSFET. Dengan cara ini, mereka mendapatkan lebih banyak efisiensi dari sistem hari ini dan tidak melepaskan efisiensi itu dengan merancang untuk kasus terburuk di masa depan, ”kata Weber.

Ini dapat dilakukan dalam solusi analog dan selalu ada banyak cara untuk mencapainya, tetapi berapa biayanya, pengorbanannya, dan waktu yang dihabiskan untuk mengembangkan solusi tersebut, tambahnya.

Menggunakan driver standar

Pemasok setuju bahwa adalah mungkin untuk menggunakan driver standar untuk mengontrol perangkat SiC tetapi mereka harus memutuskan besarnya tradeoff dan tradeoff yang biasanya memerlukan sirkuit ekstra atau perangkat eksternal yang lebih besar. Sebagai contoh, salah satu cara untuk mengurangi dering dan tegangan lebih saat menggunakan driver standar adalah dengan meningkatkan ukuran gerbang. Penghambat.

Balogh mencatat masalah lain yang perlu dipertimbangkan seperti fungsi perlindungan, penguncian undervoltage, operasi frekuensi yang lebih tinggi, switching yang lebih cepat, dan hot spot pada die, yang semuanya dapat berdampak pada kerugian daya, EMI, dan ukuran.

Selain itu, sirkuit ekstra biasanya membutuhkan lebih banyak ruang daripada solusi terintegrasi dan SiC khusus, jadi ada banyak hal negatif, dan karena itu desain kelas atas memilih driver inti SiC khusus, yang mempertimbangkan hal-hal seperti peralihan yang lebih cepat. , kondisi tegangan lebih, dan masalah seputar kebisingan dan EMI, katanya.

“Anda selalu dapat menggunakan driver gerbang standar tetapi Anda harus melengkapinya dengan sirkuit tambahan dan biasanya itu adalah trade-off,” kata Balogh.

Sebagai contoh, untuk desain densitas daya tinggi kecil, driver gerbang standar non-terisolasi dalam paket SOT23 dapat digunakan, kata Balogh. Pengemudi yang tidak terisolasi tidak dapat diterapkan secara langsung tetapi dapat dilakukan dan banyak orang mengambil jalan ini, katanya.

tentang Perangkat AnalogInc.Infineon TechnologiesMicrochip TechnologyTexas Instruments