אימוץ סיליקון קרביד האיץ באופן דרמטי בשנים האחרונות, הודות להתקדמות טכנולוגית מוצקה באיכות וביצועים של רכיבים, זמינותם והופעת יישומים הנהנים מביצועים אלה. UnitedSiC נקטה באסטרטגיה של חדשנות טכנולוגית מתמשכת, לספק את רכיבי הספק Rds(on) הנמוכים ביותר בטווח 650V-1200V [1], הבנויים על המאפיינים המצוינים והתשואות הגבוהות של SiC JFET הקנייני שלנו טֶכנוֹלוֹגִיָה.
עם ההשקה האחרונה של סדרת ה- Gen 4 (G4) UJ4C SiC FET, אנו פותחים את הפרק הבא בהרחבת השימוש ב- SiC ביישומי המרת הספק וביצועי מהפך עם שיפור גדול במאפייני המכשיר, שמטרתם לספק למשתמשים את הרמה הבאה של ביצועים ועלויות המערכת.
מאפיינים השוואתיים של טכנולוגיות זמינות
מוצרי UJ4C הראשונים של UnitedSiC (ראה טבלה 1) מכוונים לדירוג 750V VDS(MAX) במקום 650V, על מנת להתמודד עם יישומים המשתמשים באפיק 500V DC, תוך שירות ליישומי האוטובוס המסורתיים של 300/400V. המכשירים שומרים על דירוג השערים +/-20V, המובנה בהגנה על ESD, ועל היכולת להשתמש בכונני שער חד-קוטביים פשוטים המופעלים על ידי ה-5V VTH, שהם כל המאפיינים של ארכיטקטורת הקקוד של SiC FET. ביישומים בתדר גבוה, ניתן להשתמש בכונני שערים נמוכים מ-0 עד 10V, עם השפעה מינימלית על אובדן הולכה. ההתנגדות הספציפית הנמוכה במיוחד של זה טֶכנוֹלוֹגִיָה (SiC JFET 0.7mohm-cm2) מאפשר כמחצית מההתנגדות בגודל אריזה נתון ביחס ל-650V SiC MOSFETs.
בהתנגדות נתונה, צ 'יפס מכווצים, מה שמוביל לקיבולים נמוכים בהרבה. זה בתורו מוביל להפסדי מיתוג נמוכים יותר. חבילות TO247-3L ו- 4L משתמשות בטכנולוגיית Ag sinter כדי לשפר את ההתנגדות התרמית בשילוב עם דילול השבבים, כדי להקל על ההשפעות של מת JFET הקטן יותר, ולאפשר השגת עמידות תרמית מעולה לצומת RTHJC. המכשירים משמרים את היכולת להתמודד עם אירועי מפולות, והם טובים במיוחד בהתמודדות עם אירועי מפולות של זרם זרם זרם אנרגיה נמוך עד פי 2. התנהגות רביעית שלישית מצוינת עם VFSD נמוך (<1.5 V) ו- QRR בלתי תלוי בטמפרטורה נמוכה היא תכונה נוספת של SiC FETs, ומכשירי G4 הפחיתו QRR בהרבה בהשוואה לעמיתיהם הקודמים ב- G3, המונעים על ידי הפחתת COSS.
בטבלה 2 אנו משווים פרמטרים טכנולוגיים למצב SiC המתקדם מוספים, מכשירי Superjuncton ו- G4 SiC FETs. השורות המציגות RDSA מציינות את התנגדות mohm-cm2 של אזור השבבים הפעיל ב- 25C ו- 125C. זו התנגדות של ה- JFET המשמש לבניית ה- SiC FET של ה- cascode, והתנגדות נוספת של ה- LVMOS עשויה להוסיף 10% למספר זה. 5V VTH של ה- G4 SiC FET בשילוב עם כונן השער 0 עד 12V הוא ייחודי ומספק את נתון הכמויות הזמין ביותר של Qg.V לאובדן כונן שער. ניתן לבצע הפעלה של מכשירים אלה במהירות 500 קילו-הרץ -1 מגה-הרץ ללא התחממות יתר של מנהלי השער הסטנדרטיים.
ה- cascode בניה מאפשר ירידה נמוכה ביותר של דיודות גוף VFSD הזמינות של כל אפשרויות הפערים הרחבים, ומאפשרת שימוש בהתקנים אלה במצב תיקון לא סינכרוני. מכיוון שביצועי ההתאוששות ההפוכה QRR גם הם מצוינים, הנתון הכספי הכולל של VF * QRR אינו תואם ל- F4 SiC FET. זה מאפשר ביצועי מיתוג קשים מעולים ומונע כשלים במכשירים במעגלי ZVS אם מתג קשה מתרחש בתנאי עומס כלשהם. נתוני הכשרון RDS * EOSS ו- RDS * COSS, TR בהתבסס על התנגדות ה- cascode נטו משמשים להערכת היכולת הבסיסית של הטכנולוגיה ליישומי מיתוג קשים ורכים וניתן לראותם כטובים ביותר בכיתה. מכשירים אלה יכולים לאפשר יישום פשוט יותר של מעגלים עם תדרים גבוהים בתדרים גבוהים יותר כגון LLC, CLLC, DAB ו- PSFB.
טבלה 1: פרמטרים עיקריים של מוצרי ה- Gen 4 SiC FET הראשונים
טבלה 2: השוואת פרמטרים ל- G4 750 V SiC FET עם MOSFET SiC 650 V דומים ו- FET לדיודה מהירה של 600 V Superjunction
החלפת צורות גל וניהול מהירות מיתוג איור 1 מציג צורות גל מיתוג של חצי גשר של מכשירי 60 וולט של 18mohm ו- 750mohm בחבילה TO247-4L הנמדדת 400V, 20A ו- 50A בהתאמה. צורות גל מוצגות בהשוואה בין Rg גדול לבקרת הפעלה וכיבוי לעומת שימוש ב- snubber RC על פני המכשיר עם Rg נמוך בשער. בשני המעגלים פועל סנובר RC מאוטובוס DC לקרקע, המכונה סנפיר אוטובוס [2].
השורה העליונה של איור 1 מציגה את התנהגות המיתוג של 60 מטר, 750 וולט SiC FET UJ4C075018K4S. ההבדל באובדן הפעלה באמצעות Rg = 25ohm (171uJ) לעומת Rg נמוך של 1ohm יחד עם 10 ס"מ, 95pF מקור ניקוז RC (142uJ) הוא קטן. ההפעלה di / dt איטית משמעותית עם Rg = 25ohm, אך זרם ההתאוששות בשיא אינו שונה בהרבה. DV / dt המרבי במהלך ההפעלה דומה, מכיוון שהוא מוגדר על ידי SiF JFET, ולא שונה על ידי ה- Rg המופעל על ה- LV MOSFET ב- FET של SiC. עיכוב ההפעלה גבוה יותר עם 25ohm Rg.
התנהגות הכיבוי במקרים המשתמשים ב 20ohm Rgoff (37uJ), לעומת Rgoff של 1ohm יחד עם 10hm, 95pF מקור ניקוז RC (17uJ), מראה כי באמצעות snubber ניתן להשיג הפסדים נמוכים יותר, בעוד שמירה על עיכוב כיבוי קצר וחריגה נמוכה במקצת של VDS וצמצום הצלצול. ההפסדים שהוצגו כוללים את הסנובור
הפסד, שחולץ בנפרד בגליון הנתונים, והוא קטן מאוד [2, 3]. עם זאת, בזרמים נמוכים יותר כמו 20A, אין צורך ב snubber ביישומים רבים, מכיוון שההפסדים הנוספים עם בקרת Rg פשוטה אינם מוגזמים. השימוש בכללי אוטובוסים עדיין מומלץ, מכיוון שהוא משפר את ביצועי הצלצול עם השפעה מינימלית על אובדן.
עם זאת, ב- 50A צורות הגל המשתמשות בסנוברים עדיפות בהרבה ומאפשרות הפחתה של אובדן המיתוג הכולל של EON + EOFF בכמעט 36%. באמצעות ה- Rg הנמוך, ניתן לשמור גם על זמני עיכוב נמוכים. בעקומות התחתונות בתרשים 1 משווים את נתוני המיתוג ב- 50A, 400V עבור UJ4C075018K4S (18m, 750V) במקרים המשתמשים ב- 25ohm Rgon / 50ohm Rgoff לעומת Rg = 1ohm עם 10ohm, 300pF RC צנוע על פני מקור ניקוז של כל מכשיר. ניתן להשתמש ב- Rg הנמוך של 1ohm רק אם הסנובר נמצא במקום לניהול הצליפות והצלצולים. סידור זה מאפשר מעבר בתזוזה הרבה יותר מהירה עם זמן עיכוב הפעלה מופחת. אובדן ההפעלה (כולל אובדן snubber) נראה כעת 418uJ לעומת 483uJ המונע על ידי di / dt מהיר יותר. שים לב עם זאת, ש- di / dt מהיר יותר זה לא הגיע עם עלייה משמעותית בזרם התאוששות שיא.
באופן דומה, צורות הכיבוי של 50A, 400V בפינה הימנית התחתונה של איור 1 מראות כי המיתוג המהיר הרבה יותר וזמן ההשהיה המופחת עם המקרה Rg = 1ohm בתוספת RC snubber מושג ללא מעבר יתר של VDS או צלצול צומת פאזה. זמן עיכוב הכיבוי נשמר גם כן קצר מאוד. בהתחשב בכך שה- EOFF עם ה- Rg = 1ohm עם RC snubber הוא רק 55uJ בהשוואה ל- 255uJ כאשר 50ohm נַגָד משמש להורדת חריגות המתח לרמה דומה, ברור ששימוש בסנובר יתרון מאוד עבור יישומי זרם גבוה יותר >20A.
הבחירה המדויקת של הסנובר יכולה להיות תלויה ביישום, באופן כללי מעגל השראות, ורמות זרם שיא לכיבוי, וייתכן שלא יהיו הכרחיים אם הזרמים מתחת ל-25A. ההפסד במחטף נַגָד נמדד בצורה הטובה ביותר ישירות על ידי שילוב אובדן V2/R בעת הפעלה וכיבוי. ערכים אלה מצוינים בגיליונות הנתונים של המוצר [2] והם 1.7uJ ב-20A, 400V עבור UJ4C075060K4S עם 10ohm, 95pF snubber ו-9.5uJ ב-50A, 400V עבור UJ4C075018K4S עם snubber, 10S.
מומלץ שהמכשיר פשוט ישתמש בכונן שער של 0 עד 12V או 15V, אם כי עם שינויים מתאימים לערכי RG [4], ניתן להשתמש ב-5V עד 15/18/20V ומסילות מתח נפוצות אחרות של השער. לעתים קרובות משתמשים ב-0 עד 10V במעבר מעל 300kHz. איור 2 משווה את צורות הגל של מיתוג חצי גשר עבור התקן 18m, 750V והתקן 60m, 750V באמצעות חבילת TO247-4L לעומת TO247-3L, עם כונן שער של 0-15V, תוך שימוש בסנובר אוטובוס בלבד. העליון
שורה מציגה את צורות ההפעלה וההפעלה של מכשיר 60 מטר, 750 וולט המשתמשים באותו רגון = 1ohm, Rgoff = 20ohm עבור שני המכשירים. הקווים המוצקים מיועדים לחבילה 3L, ואילו הקווים המקווקו מיועדים ל- TO247-4L.
ההפעלה המהירה יותר של די / dt צפויה, כמובן, עבור ה- TO247-4L מכיוון שההשראות המקוריות הנפוצות עוקפות, מה שמוביל ל- EON נמוך יותר למרות שיא הזרם גבוה יותר. צלצול ה- VGS של השער השתפר בהרבה באמצעות ה- TO247-4L. צלצול VGS עבור ה- TO247-4L טוב יותר גם בכיבוי, אם כי כאן, שיא ה- VDS בשיא נמוך יותר עם חבילת 3L יחד עם EOFF גבוה יותר.
המחצית התחתונה של איור 2 בוחנת את השימוש בשני סוגי החבילות למיתוג 50A, 400V של מכשיר 18m, 750V בחצי גשר, כל אחד עם כונן שער 10ohm, 300pF, Rg = 1ohm וכונן שער 0-15V. כעת יש הבדל גדול בהרבה בצורות הגלים ובהפסדי המיתוג בין סוגי החבילות 3L ו- 4L. למכשירי ה- 3L יש הפעלה גבוהה יותר משמעותית (1.67x) ואובדן כיבוי (4X) עם מעבר יתר של VDS ו- dV / dts, ועם צלצול VGS גדול יותר, במיוחד בכיבוי. ברור כי לשימוש בחבילות TO247 בזרמים גבוהים יותר, השימוש בשילוב חבילת 4L עם מכשיר ה- RC snubber מאפשר ביצועי שיא עם צורות גל מיתוג מנוהלות היטב.
סקירה כללית של יתרונות היישום
כעת אנו יכולים להסתכל כיצד התכונות הללו של G4 SiC FETs משפיעות על מגוון יישומי מכשירים. איור 3a מציג דוגמה לשימוש ב-60m, 750V ב-PFC של 3.6KW. מעגל. ה סמיקונדקטור היעילות המתוכננת מחושבת על פי הפסדי ההולכה והמיתוג הנמדדים של המכשירים, תוך התחשבות בעליית הטמפרטורה, אך לא כולל הבקר, משרן או הפסדי מערכת אחרים. הפסדי ההולכה והמיתוג הנמוכים, התאוששות דיודות מעולה והנעת שער פשוטה מובילים ליעילות הגבוהה שרואים כאן. יעילות זו עומדת או מנצחת את השגה על ידי SiC היקר יותר MOSFET אפשרויות הדורשות כונני שער מורכבים יותר. הן גרסאות 3L ו-4L של חבילת TO247 נתמכות. איור 3b מציג את אותם נתונים, תוך השוואה בין היעילות לרגל האיטית של ה-TPPFC שהוחלפה בדיודה מיישר Si במקום ב-FET SiC.
איור 3: סמיקונדקטור יעילות באמצעות FETs SiC שונים ב-Totem-Pole PFC מעגל ב-65kHz המתייחס רק להפסדים בהתקן החשמל. העלילה בצד שמאל משתמשת ב-SiC FET הן עבור רגלי המיתוג המהיר והן עבור רגלי המיתוג האיטי, בעוד העלילה מימין משווה את ההבדל באמצעות SiC FETs על הרגל המהירה (1x UF3C065030K3S), עם דיודות מיישר Si על הרגל האיטית. אפשרות דיודה Si מפחיתה את היעילות בכ-0.2%. המונח 1Ph 2P מציין שלב אחד עם 1 חלקים במקביל. התקני UF2C הם התקני G3, הכלולים כאן כדי להציג את הביצועים ביחס למכשירי UJ3C G4
טבלה 3: הפסדי מוליכים למחצה במעגל 3600W LLC באמצעות G4 SiC FET בתדרים שונים. אפשריות יעילות גבוהה מאוד, כאשר כל מכשיר תורם הפסדים של <6.27W אפילו ב-500kHz
חסכוני וחוסך שני טרנזיסטורים וכונני שער, אך ירידה ב 0.2% ביעילות מתרחשת בקו גבוה. בעוד FET של 60mohm אחד מספיק ליישומי 1.5KW, יחידה אחת של 18mohm, או שניים מתוך 60m המקבילים הם הטובים ביותר עבור 3 עד 3.6KW. אפשרות המכשיר היחידה עם 18mohm דורשת כוח כונן נמוך יותר וצורכת פחות מקום.
טבלה 3 היא הערכה דומה של סמיקונדקטור הפסדים באמצעות 60m ו-18m, 750V SiC FET ביישום 3600W LLC. הפסדי ההולכה, כונן השער והדיודה מתווספים כדי להעריך את ההפסד הנקי לכל מכשיר בעומס מרבי. באמצעות 2 מקבילים 60m SiC FET או 18m SiC FET בודד, ניתן לשמור על הפסדים מתחת ל-6.3W לכל FET אפילו ב-500kHz, מה שמאפשר יעילות גבוהה מאוד עם צורך מינימלי בשקיעת חום. בעוד שהפסדים נשלטים על ידי הפסדי הולכה, התרומות היחסיות של הפסדי כיבוי, כונן שער ודיודה מוצגות גם הן, ונראה כי הן נמוכות מאוד באמצעות המאפיינים של G4 SiC FET.
השימוש ב- UnitedSiC FETs מספק נתיב פשוט ליעילות גבוהה יותר ביישומים מתגים רכים אלה ללא צורך רב בשינוי כונן השער. במקרה זה, כאשר פעולת ZVS הולכת לאיבוד, יכולתו של המכשיר לעבור קשיח ללא התאוששות דיודה לקויה מבטיחה שלא יתרחשו כשלים. מרווח הראש המתח הנוסף מסייע גם לחיי שטח ארוכים יותר כאשר יש צורך בכך.
<br> סיכום
במאמר זה, סקרנו את הפרמטרים של G4 UJ4C 750V SiC FETs החדשים של UnitedSiC בהשוואה ל-SiC MOSFETs ו-Superjunction FETs בדרגת 600/650V. לאחר מכן התעמקנו במאפייני המיתוג של התקנים גם בחבילות TO247-4L וגם בחבילות TO247-3L והדגמנו את היתרונות של השימוש בחבילת TO247-4L ועבור זרמים מעל 25A, הערך של סנוברים RC לניהול צורות גל מיתוג תוך מזעור הפסדים. השתמשנו בפרמטרים הידועים של המכשיר כדי לחלץ את ההפסדים הן ב-Totem-Pole PFC והן בדוגמה של LLC, והראנו כיצד מכשירים אלו יכולים לאפשר נתיב ליעילות 80Plus Titanium עם יישום פשוט של כונן שער. היתרונות ביישומים קשים ורכים כאחד, יחד עם כונן השער הקל יותר והשוליים הנוספים של 100V, הופכים את זה לכניסה חדשה ומשכנעת ביקום המתרחב במהירות של טרנזיסטורי SiC המכוונים למגוון היישומים של 600-750V במטענים EV, EV ממירי DC-DC, מרכזי נתונים, חשמל טלקום, אנרגיה מתחדשת ואחסון אנרגיה. ניתן למצוא שפע של מידע נוסף באתר UnitedSiC.