Come selezionare il gate driver giusto per il tuo MOSFET SiC

Carburo di silicio (SiC) mosfet hanno fatto passi avanti significativi nel potere Semiconduttore settore grazie a una serie di vantaggi rispetto agli switch basati su silicio. Questi includono commutazione più rapida, maggiore efficienza, maggiore voltaggio funzionamento e temperature più elevate che si traducono in design più piccoli e leggeri. Questo li ha aiutati a trovare casa in una vasta gamma di applicazioni automobilistiche e industriali. Ma i dispositivi a banda larga (WBG) come il SiC introducono anche sfide progettuali, tra cui l'interferenza elettromagnetica (EMI), il surriscaldamento e le condizioni di sovratensione, che possono essere risolte scegliendo il giusto gate driver.

Poiché i gate driver vengono utilizzati per azionare il dispositivo di alimentazione, è un pezzo fondamentale del puzzle di alimentazione. Un modo per garantire un design ottimizzato utilizzando SiC include innanzitutto considerare attentamente la scelta del driver del gate. Allo stesso tempo, richiede un'attenta analisi dei requisiti chiave del progetto – efficienza, densità e, naturalmente, costo – perché ci sono sempre dei compromessi, a seconda dei requisiti dell'applicazione.

Nonostante i vantaggi intrinseci del SiC, il prezzo è ancora un ostacolo all'adozione. Se guardi il SiC rispetto al silicio su una base di confronto delle parti, sarà più costoso e difficile da giustificare a meno che i progettisti non considerino il costo totale della soluzione, in base alla potenza IC produttori.

Quindi affrontiamo innanzitutto le applicazioni, i vantaggi e i compromessi del SiC rispetto ai MOSFET al silicio o IGBTS. I FET SiC offrono una resistenza in conduzione inferiore (grazie a una tensione di rottura più elevata), un'elevata velocità di saturazione per una commutazione più rapida e un'energia bandgap 3 volte più elevata, che si traduce in una temperatura di giunzione più elevata per un migliore raffreddamento, e una conduttività termica 3 volte più elevata, che si traduce in una maggiore densità di potenza.

Esiste un accordo industriale sul fatto che i MOSFET Si a bassa tensione e il GaN giochino nell'intervallo <700-V ed è qui che entra in gioco il SiC con un po' di sovrapposizione nell'intervallo di potenza inferiore.

Il SiC sta per lo più sostituendo le applicazioni di tipo IGBT al silicio oltre 600 V e oltre 3.3 kW, e ancora di più a circa 11 kW, che è davvero più un punto debole per il SiC, il che significa funzionamento ad alta tensione, basse perdite di commutazione e un maggiore stadio di potenza con frequenza di commutazione, ha affermato Rob Weber, direttore della linea di prodotti, digital gate driver (AgileSwitch), Discrete and Power Management, Microchip Tecnologia.

Ciò consente l'uso di filtri e passivi più piccoli e riduce le esigenze di raffreddamento, ha affermato. “Stiamo parlando di vantaggi a livello di sistema rispetto agli IGBT, che in definitiva sono una riduzione di dimensioni, costi e peso.

“Dal punto di vista delle perdite, è possibile ridurre le perdite fino al 70%, ad esempio, a una frequenza di commutazione di 30 kHz, e questo è il risultato di alcune delle diverse caratteristiche del carburo di silicio in termini di campo di rottura, saturazione degli elettroni velocità, energia di banda proibita e conduttività termica", ha affermato Weber.

Il punto di riferimento a cui gli ingegneri guardano è l'efficienza, che si traduce in livelli di miglioramento, ma l'altra cosa che sta accadendo sempre di più in SiC sono i vantaggi a livello di sistema rispetto agli IGBT, ha affermato Weber.

“Con il carburo di silicio puoi operare a una frequenza di commutazione più elevata che ti consente di avere componenti esterni più piccoli che circondano lo stadio di potenza immediato come i filtri, ad esempio, che sono dispositivi magnetici grandi e pesanti; operare a temperature più elevate o operare a temperature più basse a causa delle minori perdite di commutazione; sostituire un sistema raffreddato a liquido con un sistema raffreddato ad aria e ridurre le dimensioni del dissipatore di calore", ha spiegato.

Questa riduzione delle dimensioni e del peso dei componenti, che si traduce in un costo inferiore, significa che il SiC va ben oltre l'ottenimento di una migliore efficienza, ha affermato.

Tuttavia, in un confronto dei prezzi da parte a parte, il SiC è ancora più costoso dei tradizionali IGBT a base di silicio. “Il SiC modulo costerà di più da ogni produttore, ma se si considera il sistema nel suo insieme, i costi del sistema SiC sono inferiori”, ha affermato Weber.

In un esempio condiviso da Weber, un cliente è stato in grado di ottenere una riduzione del XNUMX% dei costi di sistema utilizzando un SiC mosfet.

Una volta che il progettista ha deciso di passare al SiC, deve anche considerare i compromessi. Energia semiconduttore i produttori concordano sul fatto che ci sono “effetti secondari” come rumore, EMI e sovratensione che devono essere affrontati.

"Quando si commutano questi dispositivi più velocemente, si crea potenzialmente più rumore che si tradurrà in EMI", ha affermato Weber. “Inoltre, sebbene il SiC sia ottimo a tensioni più elevate, è anche molto meno robusto degli IGBT per brevicircuito condizioni e si ottiene variabilità nella tensione, quindi si ottengono condizioni di sovratensione, il che sta inducendo alcuni progettisti a utilizzare dispositivi SiC con tensione più elevata, in modo che possano controllare meglio la sovratensione e il surriscaldamento.

È qui che la selezione del gate driver gioca un ruolo importante. Il SiC ha requisiti unici per caratteristiche quali tensione di alimentazione, protezione rapida da cortocircuito e elevata immunità dv/dt.

Selezione del gate driver SiC

Quando si tratta di selezionare il driver di gate giusto per gli switch SiC, è necessaria una nuova mentalità nel pensare alla soluzione di alimentazione rispetto ai dispositivi basati su silicio. Le aree chiave da considerare includono topologia, tensione, bias e funzioni di monitoraggio e protezione.

La selezione del gate driver è vitale e storicamente era giusto utilizzare un approccio sequenziale per selezionare il gate driver, ha affermato Weber. "Prima del SiC si sceglieva prima l'IGBT, poi il gate driver, poi le sbarre collettrici e il condensatore, ecc.", ha detto Weber. “È totalmente cambiato. Devi considerare l'intera soluzione olistica che stai costruendo e i compromessi in ogni fase invece di questo approccio sequenziale che hai con gli IGBT. È stata un’istruzione per molti clienti”.

Inoltre, esiste una varietà di gate driver per SiC che spaziano in caratteristiche e integrazione (e prezzo), mirando a progetti da semplici a più complessi.

Ad esempio, Analog Devices Inc. (ADI) organizza i suoi gate driver per classe: funzioni di base, "protezione" con funzioni di protezione come protezione da sovracorrente e rilevamento dei guasti e configurabilità completamente programmabile. I gate driver isolati di ADI si basano sulla tecnologia di isolamento iCoupler dell'azienda combinata con CMOS ad alta velocità e tecnologia del trasformatore monolitico, che offre un ritardo di propagazione estremamente basso senza sacrificare le prestazioni di immunità transitoria di modo comune (CMTI), secondo l'azienda. ADI offre anche un portafoglio di schede di valutazione e progetti di riferimento che forniscono un buon punto di partenza per la progettazione del prodotto.

La topologia, il livello di potenza, i requisiti di protezione e sicurezza funzionale e la generazione del dispositivo SiC in uso determineranno il tipo di driver necessario per l'applicazione, ha affermato Lazlo Balogh, responsabile dell'ingegneria di sistema, alimentazione ad alta tensione, Texas Instruments Inc.

Ad esempio, un driver non isolato, che potrebbe richiedere molti circuiti aggiuntivi, va bene per applicazioni più semplici, in cui non tutto deve essere integrato nel driver, ha affermato.

Esistono anche driver isolati in grado di gestire i problemi di polarizzazione e isolamento negativi, ma avranno comunque bisogno di un qualche tipo di monitoraggio nel sistema, fino a dispositivi che offrono ulteriore integrazione come circuiti di monitoraggio e protezione e sicurezza funzionale per applicazioni automobilistiche, ha aggiunto.

"La lista di controllo per implementare il SiC nel modo giusto è esaminare la topologia e il tipo di dispositivi che devi pilotare, quindi scegliere il gate driver, ottimizzare il bias, capire che tipo di protezione è necessaria e quindi ottimizzare il layout", ha detto Balogh.

Dal punto di vista del driver, ha la giusta polarizzazione, quindi la giusta capacità di tensione, se hai bisogno di gate driver isolati o non isolati, quanta protezione è necessaria, che si lega al livello di integrazione [per protezione e sicurezza] o come sono necessari molti circuiti extra, ha aggiunto.

Una delle cose che ha ostacolato un po' il SiC è la consapevolezza che, a causa della maggiore velocità di commutazione, deve essere inserito in un pacchetto in cui viene eliminata l'induttanza della sorgente, cosa che in genere viene eseguita con la connessione della sorgente Kelvin, ha affermato Balogh . "L'induttanza della sorgente può essere fastidiosa e causare molti squilli e ulteriori perdite di potenza perché rallenta l'azione di commutazione."

"È qui che l'ingegnere del layout diventa il tuo migliore amico perché devi davvero guardare il layout per mitigare lo squillo e ottimizzarlo per la commutazione ad alta velocità", ha affermato Balogh. Ciò include la riduzione al minimo delle induttanze di traccia e la separazione dell'anello di gate dall'anello di alimentazione e il corretto bypass [del percorso della corrente commutata e dell'ampia banda di frequenza] selezionando i componenti giusti, ha aggiunto.

Ciò che è veramente critico è collegare il conducente all'interruttore, ha detto Balogh. Devi collegare la massa del driver direttamente alla sorgente dell'interruttore di alimentazione a causa delle induttanze parassite che possono aumentare le perdite di commutazione, ha detto.

Texas Instruments offre una serie di schede/progetti di riferimento che avvicinano i clienti ai loro requisiti di prestazioni. Ci sono sempre piccoli compromessi e TI può aiutarli a ottimizzare i loro progetti in base alle loro esigenze, ad esempio se hanno bisogno di massima efficienza a pieno carico, ha affermato Balogh. Il suo consiglio: leggi le note sull'applicazione e contatta i tecnici dell'applicazione in caso di dubbi sulla guida di WBG.

TI offre una gamma di gate driver Si e IGBT, inclusi UCC21710, UCC21732 e UCC21750. Si tratta di gate driver isolati con protezione integrata e funzioni di rilevamento. I dispositivi forniscono un tempo di rilevamento rapido per proteggere da eventi di sovracorrente, garantendo allo stesso tempo l'arresto sicuro del sistema.

Mladen Ivankovic, ingegnere applicativo regionale di Infineon Technologies, ha affermato nella scelta di un SiC MOSFET la prima domanda fondamentale da porsi è "ho bisogno di una guida unipolare o bipolare" per quel componente.

Ci sono driver veloci e robusti sul mercato in grado di pilotare sia il Si che il SiC, ma ciò su cui le persone devono prestare attenzione quando si spostano da Si a SiC è come lo si guida perché il silicio è pilotato con una tensione tipica di 12 volt, ha detto Ivankovic . "Utilizzi 12 V per l'accensione e 0 V per lo spegnimento, quindi l'intervallo di tensione normale per il driver che pilota i componenti in silicio o i MOSFET a supergiunzione è compreso tra 0 e 12 volt e questo vale per qualsiasi fornitore di componenti in silicio, Ha aggiunto.

D'altra parte, i dispositivi SiC di fornitori diversi avranno tensioni di accensione/accensione diverse. Ci sono MOSFET SiC sul mercato, ad esempio, che richiedono +15 V per accenderlo e -4 V per spegnerlo, o +20 V per l'accensione e -2 o -5 V per lo spegnimento, Ivankovic disse. "Ciò richiede un driver che consenta l'uso di tensioni positive e negative".

Ma con un SiC Infineon, avrai solo bisogno di un intervallo di tensione più ampio, ha detto. "Quindi, invece di 0 a 12 V, dovrai guidarlo con 0 a 18 V e puoi utilizzare lo stesso driver utilizzato per Si o SiC."

Quindi devi stare attento se hai bisogno di un gate driver unipolare o se hai bisogno sia di un positivo che di un negativo per pilotare correttamente il componente, ha detto Ivankovic.

Infineon ha recentemente introdotto i circuiti integrati gate driver EiceDRIVER X3 Enhanced analogici (1ED34xx) e digitali (1ED38xx) per una vasta gamma di applicazioni industriali. Entrambe le famiglie sono progettate per IGBT e MOSFET Si e SiC in pacchetti discreti e moduli. L'1ED34xx offre un tempo di filtro di desaturazione regolabile e una corrente di spegnimento graduale con resistori esterni e l'1ED38xx fornisce la configurabilità I2C per più parametri, incluse funzioni di controllo e protezione regolabili come protezione da cortocircuito, soft-off, blocco di sottotensione, un morsetto Miller , spegnimento per sovratemperatura e spegnimento a due livelli (TLTO).

Un'altra considerazione del gate driver è la capacità di corrente di picco, secondo Eric Benedict, ingegnere applicativo senior, presso ADI, che ha trattato in un webinar di una sessione di formazione con Wolfspeed. “Allora perché è una caratteristica importante nel guidare gli interruttori? Nella maggior parte dei casi si riduce all'efficienza sotto forma di perdite di commutazione ridotte. Per completare la transizione di commutazione, il gate deve fornire una carica sufficiente ai gate in modo che l'interruttore sia completamente acceso. Accelerare la commutazione significa erogare questa carica più velocemente e poiché la corrente è carica rispetto al tempo, una commutazione più rapida significa più corrente di azionamento del gate. Quindi la corrente di picco del pilotaggio sarà determinata dalla tensione di alimentazione del gate nella resistenza totale nel loop del gate.

L'avvertimento di Benedict quando si esaminano le schede tecniche è che i produttori segnalano le correnti di uscita del gate driver in base a diverse condizioni di test. "Alcuni specificano le correnti che vengono recuperate durante un impulso di circuito molto corto in cui si cortocircuita l'uscita mentre altri usano le correnti che vengono misurate quando è presente una resistenza di gate realistica, quindi è necessario prestare attenzione quando si confrontano le specifiche dei diversi dispositivi .”

Alcuni dei punti chiave trattati nella sessione di formazione includono l'importanza di selezionare un gate driver che abbia una capacità di pilotaggio sufficiente per sfruttare le frequenze di commutazione per ridurre le perdite, fornendo un'adeguata immunità ai transitori di modo comune, concentrandosi sul layout in modo è sintonizzato per SiC, come ridurre al minimo i parassiti e comprendere che la desaturazione o la protezione da cortocircuito è diversa da un IGBT.

Driver per porte digitali configurabili

Molti dei principali produttori di circuiti integrati di potenza hanno sviluppato tecnologie e soluzioni gate driver SiC uniche per affrontare alcuni degli effetti secondari e per massimizzare i vantaggi del passaggio a una tecnologia WBG.

Microchip, ad esempio, adotta un approccio digitale con i suoi driver AgileSwitch, che include una tecnica unica chiamata "Augmented Switching". Un elemento chiave di questa tecnica è l'accensione/spegnimento configurabile, che offre una serie di passaggi che controllano i livelli di tensione e il tempo a quei livelli di tensione. Ciò consente ai progettisti di configurare digitalmente i profili di accensione/spegnimento tramite software, eliminando la necessità di apportare modifiche all'hardware. La tecnica include anche livelli aggiuntivi di rilevamento del monitoraggio dei guasti e risposta al cortocircuito.

Microchip dichiara miglioramenti significativi: perdite di commutazione inferiori fino al 50 percento e overshoot di tensione inferiore dell'80 percento.

"Un approccio analogico tradizionale va sicuramente bene per gli interruttori al silicio, dove molti di questi effetti secondari non erano problemi nel pilotare un IGBT lento, ma il carburo di silicio è un animale completamente diverso", ha affermato Weber.

Uno degli elementi chiave della tecnologia di pilotaggio del cancello digitale è proteggere molto rapidamente una condizione di cortocircuito e quindi rispondere in modo sicuro, ha affermato Weber.

Microchip ha recentemente introdotto il suo gate driver digitale di seconda generazione che ha aggiunto nuovi livelli di controllo sui dispositivi di prima generazione. I gate driver configurabili possono essere utilizzati con i MOSFET SiC di qualsiasi fornitore.

Le differenze nei MOSFET hanno a che fare con le tensioni di accensione e spegnimento, quindi la possibilità di programmare i livelli di tensione +/- anche quando azienda per azienda potrebbero avere tensioni positive e negative diverse, queste sono tutte configurabili tramite il autista del cancello, disse Weber.

Weber ha affermato che i clienti sono stati in grado di ridurre i loro cicli e tempi di sviluppo fino a sei mesi. “L'idea di poter usare il software per fare cose che facevi con la saldatrice o con i re-spin della scheda è una mentalità diversa. Ma sai che i clienti che hanno iniziato ad adottarlo lo considerano rivoluzionario".

Ha anche notato che offre ai clienti una maggiore flessibilità, in particolare durante i periodi di difficoltà della catena di approvvigionamento. "Le aziende potranno spostarsi tra i fornitori non appena l'offerta è disponibile".

Microchip implementa l'IC gate driver digitale ASD2 in una serie di prodotti per schede gate driver, denominati gate driver core: dispositivi a semiponte con gate driver di alimentazione con microprocessore e un certo livello di configurabilità e controllo. L'azienda supporta anche la compatibilità a livello di settore con una linea di schede adattatrici o schede figlie che consente l'uso di diversi tipi di moduli standard del settore offerti sia da Microchip che dai concorrenti.

Il gate driver digitale consente inoltre ai progettisti di ottimizzare il MOSFET per l'applicazione odierna invece di eseguire l'ottimizzazione per cinque o 10 anni per tenere conto del degrado dell'interruttore nel tempo o nell'uso.

"Con i nostri driver una delle cose che i clienti stanno guardando e a cui sono interessati è la capacità di ottimizzare per il MOSFET oggi con l'idea che nel tempo, se il MOSFET si degrada, possono modificare le impostazioni per ottimizzare intorno al MOSFET. In questo modo, ottengono oggi una maggiore efficienza dal sistema e non rinunciano a tale efficienza progettando per un futuro caso peggiore", ha affermato Weber.

Questo può essere fatto in una soluzione analogica e ci sono sempre diversi modi per arrivarci, ma quali sono i costi, i compromessi e il tempo speso per sviluppare la soluzione, ha aggiunto.

Utilizzo di driver standard

I fornitori concordano sul fatto che è possibile utilizzare driver standard per controllare i dispositivi SiC, ma devono decidere l'entità del compromesso e che il compromesso di solito comporta circuiti aggiuntivi o dispositivi esterni più grandi. Ad esempio, un modo per ridurre la suoneria e la sovratensione quando si utilizza un driver standard consiste nell'aumentare le dimensioni del gate Resistore.

Balogh ha notato altri problemi che devono essere considerati come funzioni di protezione, blocco di sottotensione, funzionamento a frequenza più elevata, commutazione più rapida e punti caldi sul die, che possono avere un impatto su perdite di potenza, EMI e dimensioni.

Inoltre, il circuito aggiuntivo di solito richiede molto più spazio di una soluzione integrata e SiC dedicato, quindi ci sono molti aspetti negativi e per questo motivo i progetti di fascia più alta optano per un core driver SiC dedicato, che tiene conto di cose come la commutazione più veloce , condizioni di sovratensione e problemi relativi a rumore ed EMI, ha affermato.

"Puoi sempre usare un gate driver standard, ma devi integrarlo con circuiti aggiuntivi e di solito questo è il compromesso", ha affermato Balogh.

Ad esempio, per un piccolo progetto ad alta densità di potenza è possibile utilizzare un gate driver standard non isolato in un contenitore SOT23, ha affermato Balogh. I conducenti non isolati non sono direttamente applicabili, ma si può fare e molte persone intraprendono questa strada, ha affermato.

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