סיליקון קרביד (SiC) מוספים עשו צעדים משמעותיים בעוצמה סמיקונדקטור תעשייה הודות למגוון יתרונות על פני מתגים מבוססי סיליקון. אלה כוללים מעבר מהיר יותר, יעילות גבוהה יותר, גבוהה יותר מתח פעולה וטמפרטורות גבוהות יותר המביאות לעיצובים קטנים וקלים יותר. זה עזר להם למצוא בתים במגוון יישומי רכב ותעשייה. אך התקני WBG) כמו SiC מציגים גם אתגרים עיצוביים, כולל הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), התחממות יתר ותנאי מתח יתר, אותם ניתן לפתור על ידי בחירת מנהל ההתקן הנכון לשער.
מכיוון שמנהלי שער משמשים להנעת התקן החשמל, זהו חלק קריטי של חידת הכוח. אחת הדרכים להבטיח עיצוב מותאם באמצעות SiC כוללת קודם כל בחינה קפדנית של בחירת מנהל ההתקן של השער. במקביל, זה דורש מבט מקרוב על דרישות המפתח של העיצוב שלך-יעילות, צפיפות וכמובן עלות-מכיוון שתמיד ישנן פשרות, בהתאם לדרישות היישום.
למרות היתרונות הגלומים של SiC, המחיר עדיין מהווה מחסום לאימוץ. אם אתה מסתכל על SiC לעומת סיליקון על בסיס השוואת חלקים, זה יהיה יקר יותר וקשה יותר להצדיק אלא אם כן המעצבים יסתכלו על עלות הפתרון הכוללת, על פי כוח IC יצרנים.
אז בואו נתייחס תחילה ליישומים, היתרונות והפשרות של SiC לעומת MOSFET של סיליקון או IGBTס. SiC FETs מציעים התנגדות הפעלה נמוכה יותר (הודות למתח פירוק גבוה יותר), מהירות רוויה גבוהה למעבר מהיר יותר, ואנרגיית פער פס גבוה פי 3, מה שמביא לטמפרטורת צומת גבוהה יותר לקירור משופר, ומוליכות תרמית גבוהה פי 3, אשר מתורגם לצפיפות הספק גבוהה יותר.
יש הסכמה בתעשייה כי Si MOSFETs במתח נמוך ו- GaN משחקים בטווח של מתחת ל -700 V ומעלה שם SiC נכנסת לפעולה עם מעט חפיפה בטווח ההספק הנמוך יותר.
SiC מחליף בעיקר יישומים מסוג סיליקון IGBT מעל 600 וולט ומעלה 3.3 קילוואט, ועוד יותר בכ-11 קילוואט, שזה באמת יותר נקודה מתוקה ל-SiC, שמשמעותה פעולה במתח גבוה, הפסדי מיתוג נמוכים ושיעור גבוה יותר שלב הספק של תדר מיתוג, אמר רוב ובר, מנהל קו מוצרים, מנהל השערים דיגיטליים (AgileSwitch), ניהול דיסקרטי וכוח, Microchip טכנולוגיה.
זה מאפשר שימוש במסננים ופסיבים קטנים יותר וזה מפחית את צרכי הקירור, אמר. "אנחנו מדברים על יתרונות ברמת המערכת לעומת IGBT, שהם בסופו של דבר הפחתה בגודל, בעלות ובמשקל.
"מנקודת מבט של אובדן, אתה יכול להפחית את ההפסדים עד 70 אחוזים, למשל, בתדר מיתוג של 30 קילוהרץ, וזה תוצאה של כמה מהמאפיינים השונים של סיליקון קרביד מבחינת שדה ההתמוטטות, רוויית האלקטרונים. מהירות, אנרגיית פסי פס ומוליכות תרמית ", אמר ובר.
SiC לעומת Si ו- IGBT (מקור: טכנולוגיית שבבים)
המדד שהמהנדסים בוחנים הוא יעילות, מה שמביא לרמות שיפור, אבל הדבר השני שקורה יותר ויותר ב- SiC הוא היתרונות ברמת המערכת על פני IGBT, אמר וובר.
"בעזרת סיליקון קרביד אתה יכול לפעול בתדר מיתוג גבוה יותר המאפשר לך לקבל רכיבים חיצוניים קטנים יותר המקיפים את שלב הכוח המיידי כמו מסננים, למשל, שהם מכשירים מגנטיים גדולים וכבדים; לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר או להפעיל קריר יותר בשל הפסדי המעבר הנמוכים; החלף מערכת מקוררת נוזלים במערכת מקוררת אוויר, וכווץ את גודל גוף הקירור ", הסביר.
הפחתת המרכיבים בגודל ובמשקל, המתורגמת לעלות נמוכה יותר, פירושה ש- SiC חורגת הרבה מעבר ליעילות טובה יותר, אמר.
עם זאת, בהשוואת מחירים חלק לחלק, SiC עדיין יקר יותר מ-IGBT מסורתיים מבוססי סיליקון. "ה-SiC מודול יעלה יותר מכל יצרן, אבל כשמסתכלים על המערכת הכוללת, עלויות מערכת SiC נמוכות יותר", אמר ובר.
בדוגמה המשותפת לוובר, לקוח אחד הצליח להשיג הפחתה של שישה אחוזים בעלויות המערכת בעת שימוש ב- SiC MOSFET.
לאחר שהמעצב קיבל את ההחלטה לעבור ל-SiC, הם צריכים גם לבחון את הפשרות. כּוֹחַ סמיקונדקטור היצרנים מסכימים שיש "אפקטים משניים" כמו רעש, EMI ומתח יתר שיש לטפל בהם.
"כאשר אתה מחליף מכשירים אלה מהר יותר, אתה עלול ליצור יותר רעש שיתרגם ל- EMI", אמר וובר. "בנוסף, למרות ש- SiC מעולה במתח גבוה יותר, הוא גם הרבה פחות חזק מאשר IGBT בקיצור-מעגל תנאים ואתה מקבל שונות במתח שלך, כך שתקבל תנאי מתח יתר, מה שגורם למעצבים להשתמש במכשירי SiC מדורגים במתח גבוה יותר, כך שהם יכולים לשלוט טוב יותר על מתח יתר ולהתחמם יתר על המידה. "
כאן תפקיד גדול בבחירת נהג השער. ל- SiC דרישות ייחודיות למאפיינים כגון מתח אספקה, הגנה מהירה על קצר חשמל וחסינות גבוהה ל- dv/dt.
בחירת מנהל ההתקן של שער SiC
כשזה מגיע לבחירת מנהל ההתקן הנכון עבור מתגי SiC, נדרשת חשיבה חדשה במחשבה על פתרון החשמל בהשוואה למכשירים מבוססי סיליקון. תחומי המפתח שיש לבחון כוללים טופולוגיה, מתח, הטיה ותכונות ניטור והגנה.
הבחירה של נהג השער היא חיונית, ומבחינה היסטורית זה היה בסדר להשתמש בגישה רציפה לבחירת נהג השער, אמר ובר. "לפני SiC היית בוחר תחילה את ה-IGBT ואז את נהג השער שנית ואז את הפסים ואת קבלוכו'", אמר ובר. "זה השתנה לגמרי. אתה צריך להסתכל על כל הפתרון ההוליסטי שאתה בונה ואת החילופים האלה בכל שלב במקום הגישה הרציפה הזו שיש לך עם IGBTs. זה היה חינוך עבור הרבה לקוחות".
בנוסף, ישנם מגוון מנהלי התקני שער עבור SiC המשתנים בתכונות ואינטגרציה (ומחיר), המיועדים לעיצובים פשוטים עד מורכבים יותר.
כדוגמה, Analog Devices Inc (ADI) מארגנת את מנהלי השער שלה לפי סוגים - פונקציות בסיסיות, "הגנה" עם תכונות הגנה כגון הגנה על זרם יתר וגילוי תקלות ותכנות מלא לתכנות. נהגי השער המבודדים של ADI מבוססים על טכנולוגיית הבידוד iCoupler של החברה בשילוב טכנולוגיית CMOS במהירות גבוהה וטכנולוגיית שנאי מונוליטי, המספקת עיכוב התפשטות נמוך במיוחד מבלי לוותר על ביצועי חסינות חולפת (CMTI) במצב נפוץ, על פי החברה. ADI מציעה גם תיק לוחות הערכה ועיצובים הפניה המספקים נקודת מוצא טובה לעיצוב המוצר.
טופולוגיה, רמת הספק, דרישות הגנה ובטיחות פונקציונליות וייצור מכשיר SiC בשימוש יכתיבו את סוג הנהג הדרוש ליישום, אמר לאזלו באלוג, מוביל הנדסת מערכות, מתח גבוה, טקסס אינסטרומנטס.
לדוגמה, נהג לא מבודד, שעלול לדרוש הרבה מעגלים נוספים, טוב ליישומים פשוטים יותר, שבהם לא כל דבר צריך להיות משולב בתוך הנהג, אמר.
ישנם גם נהגים מבודדים שיכולים להתמודד עם הטיה שלילית ובעיות בידוד, אך עדיין יזדקקו לניטור כלשהו במערכת, עד התקנים המציעים שילוב נוסף כגון מעגלי ניטור והגנה ובטיחות תפקודית ליישומי רכב, הוסיף.
"רשימת הביקורת לפריסת SiC בדרך הנכונה היא להסתכל על הטופולוגיה ועל אילו מכשירים יש לך לנהוג ואז לבחור את מנהל ההתקן של השער, לייעל את ההטיה, להבין איזה סוג הגנה נחוץ ולאחר מכן לייעל את הפריסה" אמר בלוך.
מנקודת מבט של הנהג, יש לו את ההטיה הנכונה, כך שיכולת המתח הנכונה, בין אם אתה זקוק לנהגי שער מבודדים או לא מבודדים, כמה הגנה נדרשת, הקשורה לרמת האינטגרציה [להגנה ובטיחות] או כיצד נדרש הרבה מעגלים נוספים, הוסיף.
אחד הדברים שהפריעו מעט ל- SiC הוא ההבנה שבגלל מהירות ההחלפה הגבוהה יותר, יש להכניס אותו לחבילה בה מבטלים את השראות המקור, דבר שבדרך כלל מתבצע עם חיבור המקור של קלווין, אמר Balogh. . "השראות המקור יכולה להיות מגעילה ולגרום לצלצולים רבים ולהפסדי כוח נוספים מכיוון שהיא מאטה את פעולת המיתוג."
חיבורי מקור קלווין. לחץ לתמונה גדולה יותר. (מקור: טקסס אינסטרומנטס בע"מ)
"כאן מהנדס הפריסה הופך להיות החבר הכי טוב שלך כי אתה באמת צריך להסתכל על הפריסה כדי להקל על הצלצול ולייעל אותו למעבר במהירות גבוהה", אמר באלוג. זה כולל צמצום משרדי העקבות והפרדת לולאת השער מלולאת החשמל ומעקפה נכונה [של נתיב הזרם המוחלף ותדר התדרים הרחב] על ידי בחירת הרכיבים הנכונים, הוסיף.
מה שבאמת קריטי הוא חיבור הנהג למתג, אמר באלוג. אתה צריך לחבר את הקרקע של הנהג ישירות למקור מתג ההפעלה בגלל השראות תועה שיכולות להגדיל את הפסדי המעבר, אמר.
טקסס אינסטרומנטס מציעה מספר לוחות/עיצובים שמקרבים את הלקוחות לדרישות הביצועים שלהם. תמיד יש מעט פשרות ו- TI יכול לעזור להם לייעל את העיצובים שלהם על פי הצרכים שלהם, למשל אם הם זקוקים ליעילות שיא בעומס מלא, אמר באלוג. עצתו: קראו את הערות האפליקציה וצרו קשר עם מהנדסי האפליקציות אם יש לכם חששות לנהוג ב- WBG.
TI מציעה מגוון מנהלי התקני שערים Si ו- IGBT, כולל UCC21710, UCC21732 ו- UCC21750. אלה הם נהגי שער מבודדים עם תכונות הגנה ותחושה משולבות. המכשירים מספקים זמן זיהוי מהיר להגנה מפני אירועי זרם יתר תוך הבטחת כיבוי מערכת בטוח.
פונקציות הגנה. לחץ לתמונה גדולה יותר. (מקור: טקסס אינסטרומנטס)
Mladen Ivankovic, מהנדס יישומים אזוריים, Infineon Technologies, אמר בעת בחירת SiC MOSFET השאלה הקריטית הראשונה שיש לשאול היא 'האם אני צריך נהיגה חד קוטבית או דו קוטבית' עבור הרכיב הזה.
ישנם נהגים מהירים וחזקים בשוק שיכולים להניע גם SiC וגם SiC אבל מה שאנשים צריכים להיות זהירים לגבי המעבר מ- SiC ל- SiC הוא איך אתה נוהג בו כי הסיליקון מונע במתח אופייני של 12 וולט, אמר איוונקוביץ '. . "אתה משתמש ב -12 וולט להפעלה ומשתמש ב -0 וולט לכיבוי, כך שטווח המתח הנורמלי של הנהג המניע רכיבי סיליקון או MOSFETS של superjunction הוא 0 עד 12 וולט וזה על פני הלוח מכל ספק רכיבי סיליקון, הוא הוסיף.
מצד שני, למכשירי SiC של ספקים שונים יהיו מתח הדלקה/הדלקה שונה. יש בשוק SiC MOSFET, למשל, הדורשות +15 V כדי להפעיל אותו ו- -4 V כדי לכבות אותו, או +20 V להפעלה ו- -2 או -5 V עבור כיבוי, איוונקוביץ ' אמר. "זה דורש נהג המאפשר שימוש במתח חיובי ושלילי."
אבל עם Infineon SiC, תצטרך רק טווח מתח רחב יותר, אמר. "אז במקום 0 עד 12 וולט, יהיה עליך להניע אותו עם 0 עד 18 וולט ותוכל להשתמש באותו מנהל התקן המשמש עבור Si או SiC."
אז אתה צריך להיות זהיר אם אתה צריך נהג שער חד קוטבי או שאתה צריך גם חיובי וגם שלילי כדי להניע את הרכיב כמו שצריך, אמר איוונקוביץ '.
Infineon הציגה לאחרונה את מכשירי ה- IC של מנהל ההתקן EiceDRIVER X3 משופרים אנלוגיים (1ED34xx) ודיגיטליים (1ED38xx) למגוון יישומים תעשייתיים. שתי המשפחות מיועדות ל- IGBT וכן ל- MOSFET של Si ו- SiC בחבילות בדידות ומודולים. ה- 1ED34xx מציע זמן סינון מתחדש מתכוונן וזרם כיבוי רך עם נגדים חיצוניים וה- 1ED38xx מספק הגדרת I2C למספר פרמטרים, כולל פונקציות שליטה והגנה מתכווננות כגון הגנה על קצר חשמלי, כיבוי רך, נעילת מתח נמוך, מהדק מילר , כיבוי טמפרטורה יתר וכיבוי דו-מפלסי (TLTO).
EiceDRIVER 1EDBx275F של Infineon היא משפחה של ICs-one-channel מבודדים עם ערוץ יחיד שנועדו להניע מתגי חשמל Si, SiC ו- GaN. (מקור: Infineon Technologies)
שיקול נוסף של נהג השער הוא שיא יכולות הקיבולת הנוכחית, לדברי אריק בנדיקט, מהנדס יישומים בכיר ב- ADI, שאותו סקר במסגרת וובינר אימון עם וולפספיד. "אז למה זו תכונה חשובה בהנעת המתגים? ברוב המקרים זה יגיע ליעילות בצורה של הפסדי מיתוג מופחתים. על מנת להשלים את מעבר המעבר השער צריך לספק מספיק תשלום לשערים כך שהמתג מופעל במלואו. האצת המיתוג פירושה אספקת טעינה זו מהר יותר ומאחר והזרם הוא טעינה מול זמן, מעבר מהיר יותר פירושו זרם כונן שער יותר. לפיכך זרם הכונן השיא יקבע על ידי מתח אספקת השער בהתנגדות הכוללת בלולאת השער. "
הסתייגותו של בנדיקט כאשר בוחנים גליונות נתונים היא שיצרנים מדווחים על זרמי הפלט של נהג השער שלהם על סמך תנאי בדיקה שונים. "חלקם מציינים זרמים שאוחזרים במהלך דופק קצר מאוד שבו אתה מקצר את הפלט בעוד שאחרים משתמשים בזרמים הנמדדים כאשר יש לך התנגדות שערים מציאותית קיימת, ולכן עליך להיזהר בעת השוואת מפרטים מהמכשירים השונים . ”
חלק מנקודות המפתח בהן נכלל האימון כוללות את החשיבות בבחירת נהג שער בעל יכולת הנעה מספקת כדי לנצל את תדרי המיתוג כדי להוריד את ההפסדים, ולספק חסינות נאותה לארעיים במצב נפוץ, תוך התמקדות בפריסה כך הוא מכוון ל- SiC, כגון מזעור טפילים, והבנה כי הגנה על התחתות או קצר חשמלי שונה מ- IGBT.
מנהלי התקנים לשער דיגיטלי הניתנים להגדרה
יצרנים מובילים רבים של כוח חשמל פיתחו טכנולוגיות ופתרונות ייחודיים של מנהלי התקני שערים של SiC כדי לתת מענה לחלק מהאפקטים המשניים וכן למקסם את היתרונות של המעבר לטכנולוגיית WBG.
Microchip, למשל, נוקט גישה דיגיטלית עם מנהלי ההתקנים שלה AgileSwitch, הכוללת טכניקה ייחודית בשם "Augmented Switching". מרכיב מרכזי בטכניקה זו הוא הפעלה/כיבוי הניתנים להגדרה, המציעים מספר שלבים השולטים על רמות המתח והזמן ברמות המתח הללו. זה מאפשר למעצבים להגדיר את פרופילי ההדלקה/כיבוי באופן דיגיטלי באמצעות תוכנה, ולמנוע את הצורך לבצע שינויים בחומרה. הטכניקה כוללת גם רמות נוספות של זיהוי ניטור תקלות ותגובת קצר חשמלי.
Microchip טוענת לשיפורים משמעותיים: הפסדי מיתוג נמוכים של עד 50 אחוזים ומעבר מתח נמוך ב -80 אחוזים.
"גישה אנלוגית מסורתית בהחלט מתאימה למתגי סיליקון, שבהם הרבה מההשפעות המשניות האלה לא היו בעיות בהנעה של IGBT איטי, אך סיליקון קרביד הוא בעל חיים אחר לגמרי", אמר וובר.
אחד המרכיבים המרכזיים של טכנולוגיית נהיגת השער הדיגיטלי הוא הגנה על מצב קצר בזמן קצר ואז להגיב עליו בצורה בטוחה, אמר וובר.
התקדמות במנהלי שער דיגיטלי (מקור: טכנולוגיית Microchip)
מיקרוסופט הציגה לאחרונה את דרייבר השער הדיגיטלי של דור 2 שהוסיף רמות חדשות של שליטה במכשירי הדור הראשון. ניתן להשתמש במנהלי השער הניתנים להגדרה עם כל SiC MOSFET של ספק.
ההבדלים ב- MOSFETS קשורים למתח ההדלקה והכיבוי, כך שהיכולת לתכנת את רמות המתח +/- גם כאשר מחברה לחברה יתכן שיש להן מתח חיובי ושלילי שונה, כולן ניתנות להגדרה באמצעות נהג השער, אמר ובר.
הגדרות AgileSwitch. לחץ לתמונה גדולה יותר. (מקור: טכנולוגיית שבב)
וובר אמר כי הלקוחות הצליחו לצמצם את מחזורי הפיתוח וזמן הפיתוח שלהם עד שישה חודשים. "הרעיון שאתה יכול להשתמש בתוכנה כדי לעשות דברים שהיית עושה עם אקדח הלחמה או סיבובים חוזרים של הלוח הוא הלך רוח אחר. אבל אתה יודע שלקוחות שהחלו לאמץ את זה הם רואים את זה משנה משחק ".
הוא גם ציין שזה נותן ללקוחות גמישות רבה יותר במיוחד בתקופות של אתגרי שרשרת האספקה. "חברות יוכלו לעבור בין ספקים ככל שההיצע יהיה זמין".
Microchip מיישמת את מנהל ההתקן IC דיגיטלי של ASD2 בשורה של מוצרי לוח נהגים של שערים, המכונים ליבות נהג שער-התקני חצי גשר עם מנהלי שער של ספק כוח עם מיקרו-מעבד ורמה מסוימת של הגדרות ושליטה. החברה תומכת גם בתאימות רחבה בתעשייה עם שורה של לוחות מתאם או כרטיסי בת המאפשרים שימוש בסוגי מודולים סטנדרטיים בתעשייה המציעים שני שבבים ומתחרים.
נהג השער הדיגיטלי מאפשר גם למעצבים לייעל את ה- MOSFET ליישום של היום במקום לבצע אופטימיזציה למשך חמש או 10 שנים כדי לתת בחשבון את התדרדרות המתגים לאורך זמן או שימוש.
"עם הנהגים שלנו אחד הדברים שהלקוחות בוחנים ומעוניינים בהם הוא היכולת לבצע אופטימיזציה עבור ה- MOSFET כיום מתוך מחשבה שעם הזמן אם ה- MOSFET אכן יורד הם יכולים לשנות את ההגדרות לאופטימיזציה סביב ה- MOSFET. בדרך זו הם מפיקים יותר יעילות מהמערכת כיום ולא מוותרים על היעילות הזו על ידי עיצוב למקרה הגרוע ביותר בעתיד ", אמר וובר.
ניתן לעשות זאת בפתרון אנלוגי ותמיד ישנן מספר דרכים להגיע לשם, אך מהן העלויות, הפערים והזמן הנדרש לפיתוח הפתרון, הוסיף.
שימוש בדרייברים סטנדרטיים
הספקים מסכימים כי ניתן להשתמש במנהלי התקנים סטנדרטיים לשליטה במכשירי ה- SiC, אך עליהם להחליט על גודל הפשרה ושהפשרה בדרך כלל כרוכה במעגלים נוספים או התקנים חיצוניים גדולים יותר. כדוגמה, אחת הדרכים לצמצם צלצולים ומתח יתר בעת שימוש במנהל התקן סטנדרטי היא על ידי הגדלת גודל השער נַגָד.
באלוג ציין נושאים אחרים שיש לקחת בחשבון כגון פונקציות הגנה, נעילת מתח נמוך, הפעלה בתדירות גבוהה יותר, מיתוג מהיר יותר ונקודות חמות על הקובייה, אשר לכולן יכולה להיות השפעה על הפסדי חשמל, EMI וגודל.
בנוסף, המעגל הנוסף בדרך כלל לוקח הרבה יותר מקום מאשר פתרון משולב ו SiC ייעודי, כך שיש הרבה שלילים, ומסיבה זו עיצובים גבוהים יותר בוחרים במנהג ליבה ייעודי של SiC, שלוקח בחשבון דברים כמו מעבר מהיר יותר , תנאי מתח יתר ובעיות סביב רעש ו- EMI, אמר.
"אתה תמיד יכול להשתמש במנהג שער סטנדרטי, אך עליך להשלים אותו עם מעגלים נוספים ובדרך כלל זהו הפער," אמר באלוג.
כדוגמה, לעיצוב קטן בצפיפות הספק גבוהה ניתן להשתמש במנהג שער סטנדרטי לא מבודד באריזה SOT23, אמר באלוג. נהגים לא מבודדים אינם ישימים ישירות אך ניתן לעשות זאת והרבה אנשים הולכים בדרך זו, אמר.
אודות Analog DevicesInc.Infineon TechnologiesTechnologyMicrochipTexas Instruments