Penggunaan silikon karbida telah dipercepat secara mendadak dalam beberapa tahun terakhir, berkat kemajuan teknologi yang mantap dalam kualiti dan prestasi komponen, ketersediaannya dan kemunculan aplikasi yang mendapat manfaat daripada prestasi tersebut. UnitedSiC telah meneruskan strategi inovasi teknologi berterusan, untuk menyampaikan komponen kuasa Rds(on) terendah dalam julat 650V-1200V [1], dibina berdasarkan ciri-ciri cemerlang dan hasil tinggi SiC JFET proprietari kami teknologi.
Dengan pelancaran siri SiC FET Gen 4 (G4) UJ4C baru-baru ini, kami membuka bab seterusnya mengenai pengembangan penggunaan SiC dalam aplikasi penukaran kuasa dan penyongsang dengan peningkatan besar ciri-ciri peranti, yang bertujuan untuk memberi pengguna tahap seterusnya prestasi dan faedah kos sistem.
Ciri Perbandingan Teknologi yang Ada
Produk UJ4C pertama daripada UnitedSiC (lihat Jadual 1) menyasarkan penarafan 750V VDS(MAX) dan bukannya 650V, untuk menangani aplikasi menggunakan Bas DC 500V, sambil menyediakan aplikasi bas 300/400V tradisional. Peranti ini mengekalkan penarafan get +/-20V, terbina dalam perlindungan ESD, dan keupayaan untuk menggunakan pemacu get unipolar mudah yang didayakan oleh 5V VTH, itu semua ciri seni bina cascode SiC FET. Dalam aplikasi frekuensi tinggi, pemacu get serendah 0 hingga 10V boleh digunakan, dengan kesan minimum terhadap kehilangan pengaliran. Rintangan khusus ultra-rendah ini teknologi (SiC JFET 0.7mohm-cm2) membenarkan kira-kira separuh rintangan dalam saiz pakej tertentu berbanding MOSFET SiC 650V.
Pada rintangan tertentu, cip menyusut, yang menyebabkan kapasitansi jauh lebih rendah. Ini seterusnya menyebabkan kerugian beralih lebih rendah. Pakej TO247-3L dan 4L menggunakan teknologi Ag sinter untuk meningkatkan ketahanan haba bersamaan dengan penipisan cip, untuk mengurangkan kesan mati JFET yang lebih kecil, dan membolehkan rintangan terma persimpangan ke kes yang sangat baik dicapai RTHJC. Peranti ini mengekalkan keupayaan untuk menangani kejadian longsoran dan sangat baik dalam menangani kejadian longsor semasa dengan tenaga tinggi sehingga 2X. Tingkah laku kuadran ketiga yang sangat baik dengan VFSD rendah (<1.5V) dan QRR bebas suhu rendah adalah ciri lain dari SiC FETs, dan peranti G4 mempunyai QRR yang jauh lebih rendah daripada rakan G3 sebelumnya, didorong oleh pengurangan COSS.
Dalam Jadual 2, kami membandingkan parameter teknologi untuk SiC canggih mosfet, Peranti Superjuncton dan G4 SiC FET. Baris yang menunjukkan RDSA menunjukkan rintangan mohm-cm2 kawasan cip aktif pada 25C dan 125C. Ini adalah rintangan JFET yang digunakan untuk membina cascode SiC FET, dan rintangan tambahan LVMOS boleh menambahkan 10% pada nombor ini. 5V VTH dari G4 SiC FET bersama dengan pemacu gerbang 0 hingga 12V adalah unik dan memberikan gambaran prestasi terbaik Qg.V untuk kehilangan pemacu gerbang. Mengendalikan peranti ini pada 500kHz-1MHz dapat dicapai tanpa pemacu gerbang standard yang terlalu panas.
Cascode pembinaan membenarkan penurunan diod badan VFSD yang paling rendah dari semua pilihan jurang lebar, yang membolehkan penggunaan peranti ini dalam mod pembetulan tidak segerak. Oleh kerana prestasi pemulihan terbalik QRR juga sangat baik, keseluruhan VF * QRR angka-merit tidak dapat ditandingi untuk G4 SiC FETs. Ini memungkinkan prestasi pertukaran keras yang sangat baik dan mencegah kegagalan peranti dalam litar ZVS jika peralihan keras berlaku dalam keadaan beban. Angka merit RDS * EOSS dan RDS * COSS, TR berdasarkan rintangan kaskod bersih digunakan untuk menilai kemampuan asas teknologi untuk aplikasi yang bertukar lembut dan lembut dan dapat dilihat sebagai yang terbaik di kelasnya. Peranti ini dapat memungkinkan pelaksanaan rangkaian suis lembut frekuensi tinggi yang lebih mudah seperti LLC, CLLC, DAB dan PSFB.
Jadual 1: Parameter utama produk Gen 4 SiC FET pertama
Jadual 2: Perbandingan parameter untuk G4 750V SiC FETs dengan 650V SiC MOSFETs serupa dan 600V Superjunction diod cepat FET
Menukar bentuk gelombang dan menguruskan kelajuan pensuisan Rajah 1 menunjukkan bentuk gelombang beralih separuh jambatan bagi peranti 60mohm dan 18mohm 750V dalam pakej TO247-4L yang masing-masing diukur pada 400V, 20A dan 50A. Bentuk gelombang ditunjukkan dengan membandingkan Rg besar untuk mengawal putaran dan putaran berbanding dengan menggunakan snubber RC di seluruh peranti dengan Rg rendah di pintu gerbang. Kedua-dua rangkaian menggunakan snubber RC dari bas DC ke darat, disebut sebagai snubber bus [2].
Baris atas Rajah 1 menunjukkan tingkah laku beralih dari 60m, 750V SiC FET UJ4C075018K4S. Perbezaan kerugian giliran hanya menggunakan Rg = 25ohm (171uJ) vs Rg rendah 1ohm bersama dengan snubber RC sumber longkang 10hm, 95pF (142uJ) kecil. Pusingkan di / dt jauh lebih perlahan dengan Rg = 25ohm, tetapi arus pemulihan puncak tidak jauh berbeza. DV / dt maksimum semasa menghidupkan adalah serupa, kerana ia ditetapkan oleh SiC JFET, dan tidak diubah oleh Rg yang diterapkan pada LV MOSFET dalam SiC FET. Kelewatan menghidupkan lebih tinggi dengan 25ohm Rg.
Tingkah laku mematikan untuk kes menggunakan Rgoff 20ohm (37uJ), vs Rgoff 1ohm bersama dengan snubber RC sumber saliran 10hm, 95pF (17uJ), menunjukkan bahawa dengan menggunakan snubber, kerugian yang lebih rendah dapat diperoleh, sementara mengekalkan kelewatan pemutus yang pendek dan overhoot VDS yang agak rendah dan deringan yang dikurangkan. Kerugian yang ditunjukkan termasuk snubber
kerugian, yang diasingkan secara terpisah dalam lembar data, dan sangat kecil [2, 3]. Walau bagaimanapun, pada arus yang lebih rendah seperti 20A, snubber tidak diperlukan dalam banyak aplikasi, kerana kerugian tambahan dengan kawalan Rg sederhana tidak berlebihan. Penggunaan snubber bas masih disarankan, kerana meningkatkan prestasi dering dengan kesan kehilangan yang minimum.
Namun pada 50A, bentuk gelombang yang menggunakan snubber jauh lebih unggul dan memungkinkan pengurangan kehilangan pensuisan total EON + EOFF hampir 36%. Dengan menggunakan Rg rendah, masa kelewatan juga dapat dikurangkan rendah. Pada lengkung yang lebih rendah pada Rajah 1, data pensuisan pada 50A, 400V untuk UJ4C075018K4S (18m, 750V) dibandingkan untuk kes menggunakan Rgoff 25ohm / 50ohm Rgoff vs Rg = 1ohm dengan snubber RC 10ohm, 300pF di seberang longkang-sumber setiap peranti. Rg 1ohm rendah hanya dapat digunakan jika snubber berada di tempat untuk menguruskan overhoot dan deringan. Susunan ini membolehkan beralih pada masa / dt yang jauh lebih pantas dengan masa kelewatan menghidupkan yang lebih rendah. Kerugian giliran (termasuk kehilangan snubber) kini dilihat 418uJ vs 483uJ didorong oleh operasi / dt yang lebih pantas. Walau bagaimanapun, perhatikan bahawa di / dt yang lebih pantas ini tidak disertakan dengan peningkatan ketara pada arus pemulihan puncak.
Begitu juga, bentuk gelombang pematian 50A, 400V di bahagian kanan bawah Rajah 1 menunjukkan bahawa masa pensuisan beralih dan pengurangan yang lebih cepat dengan kes Rg = 1ohm plus RC snubber dicapai tanpa overhoot VDS berlebihan atau dering node fasa. Masa kelewatan mematikan disimpan juga sangat singkat. Memandangkan EOFF dengan Rg = 1ohm dengan RC snubber hanya 55uJ berbanding 255uJ ketika 50ohm Perintang digunakan untuk menurunkan overshoot voltan ke tahap yang setanding, jelas bahawa menggunakan snubber adalah sangat berfaedah untuk aplikasi arus yang lebih tinggi >20A.
Pilihan snubber yang tepat boleh bergantung pada aplikasi, secara keseluruhan litar aruhan, dan paras arus puncak untuk mematikan, dan mungkin tidak diperlukan jika arus di bawah 25A. Kehilangan dalam snubber Perintang paling baik diukur secara langsung dengan menyepadukan kehilangan V2/R semasa hidup dan mati. Nilai-nilai ini ditunjukkan dalam lembaran data produk [2] dan ialah 1.7uJ pada 20A, 400V untuk UJ4C075060K4S dengan snubber 10ohm, 95pF dan 9.5uJ pada 50A, 400V untuk UJ4C075018Kubber, 4Shm F.
Adalah disyorkan bahawa peranti hanya menggunakan pemacu pagar 0 hingga 12V atau 15V, walaupun dengan perubahan yang sesuai pada nilai RG [4], -5V hingga 15/18/20V dan rel voltan get biasa yang lain semuanya boleh digunakan. Selalunya 0 hingga 10V digunakan apabila menukar melebihi 300kHz. Rajah 2 membandingkan bentuk gelombang pensuisan separuh jambatan untuk peranti 18m, 750V dan peranti 60m, 750V menggunakan pakej TO247-4L vs TO247-3L, dengan pemacu pintu 0-15V, hanya menggunakan snubber bas. Bahagian atas
baris menunjukkan bentuk gelombang putar dan mati untuk peranti 60m, 750V menggunakan Rgon = 1ohm yang sama, Rgoff = 20ohm untuk kedua-dua peranti. Garis padat adalah untuk pakej 3L, sementara garis putus-putus adalah untuk TO247-4L.
Pengaktifan yang lebih cepat di / dt, tentu saja, diharapkan untuk TO247-4L kerana induktansi sumber biasa dipintas, yang membawa kepada penurunan EON walaupun puncaknya lebih tinggi. Deringan pintu gerbang VGS jauh lebih baik menggunakan TO247-4L. Deringan VGS untuk TO247-4L juga lebih baik ketika dimatikan, walaupun di sini, pemotongan puncak VDS lebih rendah dengan pakej 3L bersama dengan EOFF yang lebih tinggi.
Bahagian bawah Rajah 2 melihat penggunaan kedua-dua jenis pakej untuk peralihan 50A, 400V peranti 18m, 750V di jambatan separuh, masing-masing dengan pemacu gerbang 10ohm, 300pF, Rg = 1ohm dan 0-15V. Kini terdapat perbezaan yang jauh lebih besar dalam bentuk gelombang dan kehilangan pertukaran antara jenis paket 3L dan 4L. Peranti 3L mempunyai turn-on (1.67x) dan turn-off loss (4X) yang jauh lebih tinggi dengan overhoot VDS dan dV / dts yang serupa, dan dengan deringan VGS yang lebih besar, terutamanya ketika dimatikan. Jelas, untuk menggunakan paket TO247 pada arus yang lebih tinggi, menggunakan kombinasi pakej 4L dengan alat snubber RC memungkinkan untuk prestasi puncak dengan bentuk gelombang beralih yang diuruskan dengan baik.
Gambaran keseluruhan Faedah Permohonan
Kini kita boleh melihat bagaimana ciri G4 SiC FET ini memberi kesan kepada pelbagai aplikasi peranti. Rajah 3a menunjukkan contoh penggunaan 60m, 750V dalam PFC Kutub Totem 3.6KW litar. Yang Semikonduktor kecekapan yang dirancang dikira dari pengaliran pengukuran dan kehilangan suis peranti, yang mengambil kira kenaikan suhu, tetapi tidak termasuk pengawal, Peraruh atau kerugian sistem lain. Kehilangan konduksi dan pengalihan yang rendah, pemulihan diod yang sangat baik, dan pemacu gerbang yang sederhana membawa kepada kecekapan tinggi yang dilihat di sini. Kecekapan ini memenuhi atau mengatasi yang dapat dicapai oleh SiC yang lebih mahal mosfet pilihan yang memerlukan pemacu gerbang yang lebih kompleks. Kedua-dua versi 3L dan 4L pakej TO247 disokong. Rajah 3b menunjukkan data yang sama, membandingkan kecekapan dengan kaki perlahan TPPFC yang digantikan dengan diod penerus Si dan bukannya SiC FET.
Rajah 3: Semikonduktor kecekapan menggunakan pelbagai FET SiC dalam PFC Kutub Totem litar pada 65kHz hanya mengambil kira kerugian dalam peranti kuasa. Plot di sebelah kiri menggunakan SiC FET untuk kedua-dua kaki pensuisan pantas dan perlahan, manakala plot di sebelah kanan membandingkan perbezaan menggunakan SiC FET pada kaki cepat (1x UF3C065030K3S), dengan diod penerus Si pada kaki perlahan. Pilihan diod Si mengurangkan kecekapan sebanyak kira-kira 0.2%. Istilah 1Ph 2P menunjukkan 1 Fasa dengan 2 bahagian secara selari. Peranti UF3C ialah peranti G3, disertakan di sini untuk menunjukkan prestasi berbanding peranti UJ4C G4
Jadual 3: Kerugian semikonduktor dalam litar 3600W LLC menggunakan G4 SiC FET pada pelbagai frekuensi. Kecekapan yang sangat tinggi adalah mungkin, dengan setiap peranti menyumbang kerugian <6.27W walaupun pada 500kHz
menjimatkan kos, menjimatkan dua transistor dan pemacu gerbang, tetapi penurunan kecekapan 0.2% berlaku pada garis tinggi. Walaupun satu 60mohm FET mencukupi untuk aplikasi 1.5KW, satu unit 18mohm, atau dua dari 60m selari adalah yang terbaik untuk 3 hingga 3.6KW. Pilihan peranti 18mohm tunggal memerlukan daya pemacu gerbang yang lebih rendah dan menggunakan lebih sedikit ruang.
Jadual 3 adalah anggaran yang sama bagi Semikonduktor kerugian menggunakan 60m dan 18m, 750V SiC FET dalam aplikasi 3600W LLC. Kerugian pengaliran, pemacu get, dan diod ditambah untuk menganggarkan kerugian bersih setiap peranti pada beban maksimum. Menggunakan sama ada 2 FET 60m SiC yang selari atau satu FET SiC 18m tunggal, kerugian boleh disimpan di bawah 6.3W setiap FET walaupun pada 500kHz, membolehkan kecekapan yang sangat tinggi dengan keperluan minimum untuk tenggelam haba. Walaupun kerugian dikuasai oleh kehilangan pengaliran, sumbangan relatif bagi kehilangan penyingkiran, pemacu pintu dan kehilangan pengaliran diod juga ditunjukkan, dan dilihat sangat rendah menggunakan ciri-ciri G4 SiC FET.
Penggunaan UnitedSiC FET memberikan jalan mudah untuk kecekapan yang lebih tinggi dalam aplikasi suis lembut ini tanpa perlu mengubah pemacu gerbang. Dalam kes ini, apabila operasi ZVS hilang, kemampuan peranti untuk beralih keras tanpa pemulihan dioda yang lemah memastikan tidak berlaku kegagalan. Ruang kepala voltan tambahan juga membantu jangka hayat medan yang lebih lama apabila diperlukan.
Ringkasan
Dalam artikel ini, kami menyemak parameter SiC FET G4 UJ4C 750V baharu daripada UnitedSiC berbanding dengan MOSFET SiC dan FET Superjunction dalam kelas 600/650V. Kami kemudian menyelidiki ciri pensuisan peranti dalam kedua-dua pakej TO247-4L dan TO247- 3L dan menunjukkan faedah menggunakan pakej TO247-4L dan untuk arus >25A, nilai snubber RC untuk mengurus bentuk gelombang pensuisan sambil meminimumkan kerugian. Kami menggunakan parameter peranti yang diketahui untuk mengekstrak kerugian kedua-duanya dalam contoh Totem-Pole PFC dan LLC, menunjukkan cara peranti ini boleh membenarkan laluan ke kecekapan 80Plus Titanium dengan pelaksanaan pemacu pintu yang mudah. Kelebihan dalam kedua-dua aplikasi suis keras dan lembut, ditambah dengan pemacu pintu yang lebih mudah dan margin 100V tambahan, menjadikan ini kemasukan baharu yang menarik dalam alam semesta yang berkembang pesat transistor SiC yang menyasarkan julat aplikasi 600-750V dalam pengecas EV, EV Penukar DC-DC, Pusat Data, Kuasa Telekom, Tenaga boleh diperbaharui dan Penyimpanan tenaga. Banyak maklumat tambahan boleh didapati di laman web UnitedSiC.