Hoe u de juiste gate-driver voor uw SiC MOSFET selecteert

Siliciumcarbide (SiC) mosfets hebben aanzienlijke doorbraken in de macht gemaakt Halfgeleider industrie dankzij een reeks voordelen ten opzichte van op silicium gebaseerde schakelaars. Deze omvatten sneller schakelen, hogere efficiëntie, hogere spanning werking en hogere temperaturen die resulteren in kleinere en lichtere ontwerpen. Dit heeft hen geholpen woningen te vinden in een reeks auto- en industriële toepassingen. Maar apparaten met een brede bandgap (WBG) zoals SiC introduceren ook ontwerpuitdagingen, waaronder elektromagnetische interferentie (EMI), oververhitting en overspanning, die kunnen worden opgelost door de juiste gate-driver te kiezen.

Aangezien poortaandrijvingen worden gebruikt om het stroomapparaat aan te drijven, is het een cruciaal stukje van de stroompuzzel. Een manier om te zorgen voor een geoptimaliseerd ontwerp met behulp van SiC, is door eerst zorgvuldig uw keuze voor de poortaandrijving te overwegen. Tegelijkertijd vereist het een nauwkeurige blik op de belangrijkste vereisten van uw ontwerp - efficiëntie, dichtheid en natuurlijk kosten - omdat er altijd compromissen zijn, afhankelijk van de toepassingsvereisten.

Ondanks de inherente voordelen van SiC, is prijsstelling nog steeds een obstakel voor adoptie. Als je SiC versus silicium bekijkt op basis van een vergelijking van onderdelen, wordt het duurder en moeilijker te rechtvaardigen, tenzij ontwerpers kijken naar de totale kosten van de oplossing, afhankelijk van het vermogen IC fabrikanten.

Laten we dus eerst de toepassingen, voordelen en afwegingen van SiC versus silicium-MOSFET's bespreken IGBTS. SiC-FET's bieden een lagere aan-weerstand (dankzij een hogere doorslagspanning), een hoge verzadigingssnelheid voor sneller schakelen en een 3x hogere bandgap-energie, wat resulteert in een hogere junctietemperatuur voor verbeterde koeling, en een 3x hogere thermische geleidbaarheid, die vertaalt zich in een hogere vermogensdichtheid.

Er is overeenstemming in de industrie dat Si-MOSFET's met laag voltage en GaN in het bereik <700 V spelen en daarboven komt SiC in het spel met een beetje overlap in het lagere vermogensbereik.

SiC vervangt voornamelijk toepassingen van het silicium-IGBT-type boven 600 V en boven 3.3 kW, en zelfs nog meer bij ongeveer 11 kW, wat eigenlijk meer een goede plek is voor SiC, wat werking op hoge spanning, lage schakelverliezen en een hogere schakelfrequentievermogensfase, zegt Rob Weber, productlijndirecteur, digitale poortdriver (AgileSwitch), Discrete and Power Management, Microchip Technologie.

Dit maakt het gebruik van kleinere filters en passives mogelijk en vermindert de koelbehoefte, zei hij. "We hebben het over voordelen op systeemniveau versus IGBT's, wat uiteindelijk een vermindering van grootte, kosten en gewicht is.

"Vanuit verliesperspectief kun je de verliezen tot 70 procent verminderen, bijvoorbeeld bij een schakelfrequentie van 30 kHz, en dat is een gevolg van enkele van de verschillende eigenschappen van siliciumcarbide in termen van het doorslagveld, elektronenverzadiging snelheid, bandgap-energie en thermische geleidbaarheid, "zei Weber.

De benchmark waar ingenieurs naar kijken, is efficiëntie, wat resulteert in verbeteringsniveaus, maar het andere dat steeds meer in SiC gebeurt, zijn de voordelen op systeemniveau ten opzichte van IGBT's, zei Weber.

“Met siliciumcarbide kun je met een hogere schakelfrequentie werken, waardoor je kleinere externe componenten hebt die de directe vermogensfase omringen, zoals filters, die grote, zware magnetische apparaten zijn; werken bij hogere temperaturen of koeler werken vanwege de lagere schakelverliezen; vervang een vloeistofgekoeld systeem door een luchtgekoeld systeem en verklein het koellichaam”, legt hij uit.

Deze vermindering van de grootte en het gewicht van de componenten, wat zich vertaalt in lagere kosten, betekent dat SiC veel verder gaat dan het verkrijgen van een betere efficiëntie, zei hij.

Bij een prijsvergelijking van deel tot deel is SiC echter nog steeds duurder dan traditionele op silicium gebaseerde IGBT's. “De SiC module zal bij elke fabrikant meer kosten, maar als je naar het totale systeem kijkt, zijn de kosten van het SiC-systeem lager”, aldus Weber.

In een door Weber gedeeld voorbeeld kon een klant een verlaging van de systeemkosten van zes procent realiseren bij gebruik van een SiC mosfet.

Zodra de ontwerper de beslissing heeft genomen om over te stappen op SiC, moet hij ook naar de afwegingen kijken. Stroom halfgeleider Fabrikanten zijn het erover eens dat er ‘secundaire effecten’ zijn, zoals ruis, EMI en overspanning, waarmee moet worden omgegaan.

"Als je sneller van apparaat wisselt, creëer je mogelijk meer ruis, wat zich vertaalt in EMI", zegt Weber. "Bovendien, hoewel SiC geweldig is bij hogere spanning, is het ook veel minder robuust dan IGBT's voor kortecircuit omstandigheden en je krijgt variabiliteit in je spanning, dus je krijgt overspanningscondities, waardoor sommige ontwerpers SiC-apparaten met een hoger voltage gebruiken, zodat ze de overspanning en oververhitting beter kunnen beheersen."

Hier speelt de selectie van de poortchauffeur een grote rol. SiC stelt unieke eisen aan eigenschappen zoals voedingsspanning, snelle kortsluitbeveiliging en hoge dv/dt-immuniteit.

De SiC-gate-driver selecteren

Als het gaat om het selecteren van de juiste gate-driver voor SiC-switches, vereist het een nieuwe manier van denken over de stroomoplossing in vergelijking met op silicium gebaseerde apparaten. De belangrijkste gebieden om naar te kijken zijn onder meer topologie, spanning, bias en bewakings- en beveiligingsfuncties.

De selectie van de poortbestuurder is van cruciaal belang, en historisch gezien was het oké om een ​​sequentiële benadering te gebruiken bij het selecteren van de poortbestuurder, aldus Weber. “Vóór SiC zou je eerst de IGBT kiezen, daarna de poortdriver, daarna de rails en de condensatorenz.”, aldus Weber. “Het is totaal veranderd. Je moet bij elke stap kijken naar de hele holistische oplossing die je bouwt en naar de afwegingen in plaats van naar de sequentiële aanpak die je bij IGBT's hebt. Voor veel klanten is het een leerzame ervaring geweest.”

Daarnaast zijn er verschillende gate-drivers voor SiC die variëren in functies en integratie (en prijs), gericht op eenvoudige tot complexere ontwerpen.

Analog Devices Inc. (ADI) organiseert bijvoorbeeld zijn gate-drivers op klasse: basisfuncties, "beschermen" met beveiligingsfuncties zoals overstroombeveiliging en foutdetectie, en volledig programmeerbare configureerbaarheid. De geïsoleerde gate-drivers van ADI zijn gebaseerd op de iCoupler-isolatietechnologie van het bedrijf in combinatie met high-speed CMOS en monolithische transformatortechnologie, die volgens het bedrijf een ultra-lage propagatievertraging levert zonder in te boeten aan common-mode transiënte immuniteit (CMTI)-prestaties. ADI biedt ook een portfolio van evaluatieborden en referentieontwerpen die een goed startpunt vormen voor productontwerp.

Topologie, vermogensniveau, bescherming en functionele veiligheidsvereisten, en de generatie van SiC-apparaten die in gebruik zijn, zullen het soort driver bepalen dat nodig is voor de toepassing, zei Lazlo Balogh, system engineering lead, high voltage power, Texas Instruments Inc.

Een niet-geïsoleerde driver, die veel extra circuits kan vergen, is bijvoorbeeld goed voor eenvoudigere toepassingen, waarbij niet alles in de driver hoeft te worden geïntegreerd, zei hij.

Er zijn ook geïsoleerde stuurprogramma's die de negatieve bias en isolatieproblemen aankunnen, maar die nog steeds een soort van bewaking in het systeem nodig hebben, tot apparaten die verdere integratie bieden, zoals bewakings- en beveiligingscircuits en functionele veiligheid voor autotoepassingen, voegde hij eraan toe.

"De checklist om SiC op de juiste manier in te zetten, is kijken naar de topologie en wat voor soort apparaten je moet besturen, vervolgens de gate-driver kiezen, de bias optimaliseren, uitzoeken welk soort bescherming nodig is en vervolgens de lay-out optimaliseren", zei Balogh.

Vanuit het oogpunt van een driver heeft het de juiste bias, dus de juiste spanningscapaciteit, of je nu geïsoleerde of niet-geïsoleerde gate-drivers nodig hebt, hoeveel bescherming er nodig is, wat aansluit bij het integratieniveau [voor bescherming en veiligheid] of hoe er is veel extra circuits nodig, voegde hij eraan toe.

Een van de dingen die SiC een beetje hebben belemmerd, is het besef dat het vanwege de hogere schakelsnelheid in een pakket moet worden geplaatst waarin de broninductantie wordt geëlimineerd, wat meestal wordt gedaan met de Kelvin-bronverbinding, zei Balogh . "Broninductantie kan vervelend zijn en veel rinkelen en extra vermogensverliezen veroorzaken omdat het de schakelactie vertraagt."

"Dit is waar de lay-outingenieur je beste vriend wordt, omdat je echt naar de lay-out moet kijken om het rinkelen te verminderen en te optimaliseren voor snel schakelen", zegt Balogh. Dit omvat het minimaliseren van de traceerinductanties en het scheiden van de gate-lus van de power-lus en een juiste bypass [van het geschakelde stroompad en de brede frequentieband] door de juiste componenten te selecteren, voegde hij eraan toe.

Wat echt cruciaal is, is het verbinden van de bestuurder met de schakelaar, zei Balogh. Je moet de aarde van de driver rechtstreeks verbinden met de bron van de stroomschakelaar vanwege verdwaalde inductanties die schakelverliezen kunnen vergroten, zei hij.

Texas Instruments biedt een aantal referentieborden/ontwerpen die de klanten dicht bij hun prestatie-eisen brengen. Er zijn altijd kleine compromissen en TI kan hen helpen hun ontwerpen te optimaliseren op basis van hun behoeften, bijvoorbeeld als ze maximale efficiëntie bij volledige belasting nodig hebben, zei Balogh. Zijn advies: Lees de applicatie-opmerkingen en neem contact op met de applicatie-ingenieurs als u zich zorgen maakt over het besturen van WBG.

TI biedt een reeks Si- en IGBT-poortdrivers, waaronder de UCC21710, UCC21732 en UCC21750. Dit zijn geïsoleerde gate-drivers met geïntegreerde beschermings- en detectiefuncties. De apparaten bieden een snelle detectietijd om te beschermen tegen overstroomgebeurtenissen en zorgen tegelijkertijd voor een veilige uitschakeling van het systeem.

Mladen Ivankovic, regionaal applicatie-ingenieur bij Infineon Technologies, zei bij het selecteren van een SiC MOSFET De eerste kritische vraag die je moet stellen is: heb ik voor dat onderdeel unipolair of bipolair rijden nodig?

Er zijn snelle en robuuste stuurprogramma's op de markt die zowel Si als SiC kunnen aansturen, maar waar mensen voorzichtig mee moeten zijn wanneer ze van Si naar SiC gaan, is hoe je het bestuurt, omdat silicium wordt aangedreven met een typische spanning van 12 volt, zei Ivankovic. . "Je gebruikt 12 V om in te schakelen en 0 V om uit te schakelen, dus het normale spanningsbereik voor de driver die siliciumcomponenten of superjunction MOSFETS aandrijft, is 0 tot 12 volt en dat is over de hele linie van elke leverancier van siliciumcomponenten, hij voegde toe.

Aan de andere kant zullen SiC-apparaten van verschillende leveranciers verschillende inschakel-/inschakelspanningen hebben. Er zijn bijvoorbeeld SiC MOSFET's op de markt die +15 V nodig hebben om het aan te zetten en -4 V om het uit te schakelen, of +20 V voor inschakelen en -2 of -5 V voor uitschakelen, Ivankovic zei. "Dit vereist een driver die het gebruik van positieve en negatieve spanningen mogelijk maakt."

Maar met een Infineon SiC heb je alleen een groter spanningsbereik nodig, zei hij. "Dus in plaats van 0 tot 12 V, moet je hem met 0 tot 18 V rijden en kun je dezelfde driver gebruiken die wordt gebruikt voor Si of SiC."

Dus je moet voorzichtig zijn of je een unipolaire gate-driver nodig hebt of dat je zowel een positieve als een negatieve nodig hebt om het onderdeel goed aan te drijven, zei Ivankovic.

Infineon heeft onlangs de EiceDRIVER X3 Enhanced analoge (1ED34xx) en digitale (1ED38xx) gate driver IC's geïntroduceerd voor een reeks industriële toepassingen. Beide families zijn ontworpen voor IGBT's en Si- en SiC MOSFET's in discrete en modulepakketten. De 1ED34xx biedt een instelbare desaturatiefiltertijd en zachte uitschakelstroom met externe weerstanden en de 1ED38xx biedt I2C-configureerbaarheid voor meerdere parameters, waaronder instelbare besturings- en beveiligingsfuncties zoals kortsluitbeveiliging, soft-off, onderspanningsvergrendeling, een Miller-klem , uitschakeling bij te hoge temperatuur en uitschakeling op twee niveaus (TLTO).

Een andere overweging van de gate-driver is de capaciteit van de piekstroomcapaciteit, volgens Eric Benedict, senior application engineer bij ADI, die hij behandelde in een webinar met trainingssessies met Wolfspeed. “Dus waarom is dat een belangrijke functie bij het aansturen van de schakelaars? In de meeste gevallen zal het neerkomen op efficiëntie in de vorm van verminderde schakelverliezen. Om de schakelovergang te voltooien, moet de poort voldoende lading aan de poorten leveren, zodat de schakelaar volledig is ingeschakeld. Het versnellen van het schakelen betekent dat deze lading sneller wordt geleverd en aangezien stroom lading versus tijd is, betekent sneller schakelen meer gate-aandrijfstroom. De piekaandrijfstroom wordt dus bepaald door de gate-voedingsspanning in de totale weerstand in de gate-lus.

Benedict's voorbehoud bij het bekijken van datasheets is dat fabrikanten de uitgangsstromen van hun gate-driver rapporteren op basis van verschillende testomstandigheden. "Sommige specificeren stromen die worden opgehaald tijdens een zeer kortsluitpuls waarbij je de uitgang kortsluit, terwijl anderen stromen gebruiken die worden gemeten wanneer je een realistische poortweerstand hebt die aanwezig is, dus je moet voorzichtig zijn bij het vergelijken van specificaties van de verschillende apparaten .”

Enkele van de belangrijkste punten die in de trainingssessie worden behandeld, zijn onder meer het belang van het selecteren van een poortbestuurder die voldoende aandrijfvermogen heeft om te profiteren van de schakelfrequenties om de verliezen te verminderen, een goede immuniteit te bieden voor common-mode transiënten, gericht op de lay-out, zodat het is afgestemd op SiC, zoals het minimaliseren van parasieten, en het begrijpen dat de desaturatie- of kortsluitingsbeveiliging verschilt van een IGBT.

Configureerbare digitale poortdrivers

Veel toonaangevende fabrikanten van vermogens-IC's hebben unieke SiC-gatedrivertechnologieën en -oplossingen ontwikkeld om enkele van de secundaire effecten aan te pakken en om de voordelen van de overstap naar een WBG-technologie te maximaliseren.

Microchip kiest bijvoorbeeld voor een digitale benadering met zijn AgileSwitch-stuurprogramma's, waaronder een unieke techniek die 'Augmented Switching' wordt genoemd. Een belangrijk element van deze techniek is de configureerbare in- en uitschakeling, die een reeks stappen biedt die de spanningsniveaus en de tijd op die spanningsniveaus regelen. Hierdoor kunnen ontwerpers de in- en uitschakelprofielen digitaal configureren via software, waardoor er geen hardwarewijzigingen meer nodig zijn. De techniek omvat ook extra niveaus van foutbewakingsdetectie en kortsluitingsreactie.

Microchip claimt significante verbeteringen: tot 50 procent lagere schakelverliezen en 80 procent lagere spanningsovershoot.

"Een traditionele analoge benadering is zeker prima voor siliciumschakelaars, waar veel van deze secundaire effecten geen problemen waren bij het aansturen van een langzame IGBT, maar siliciumcarbide is een heel ander dier," zei Weber.

Een van de belangrijkste elementen van de digitale poortaandrijftechnologie is het zeer snel beschermen van een kortsluiting en er vervolgens op een veilige manier op reageren, zei Weber.

Microchip heeft onlangs zijn Generation 2 digitale gate-driver geïntroduceerd die nieuwe niveaus van controle over de apparaten van de eerste generatie heeft toegevoegd. De configureerbare gate-drivers kunnen worden gebruikt met SiC MOSFET's van elke leverancier.

De verschillen in de MOSFETS hebben te maken met de in- en uitschakelspanningen, dus de mogelijkheid om de +/- spanningsniveaus te programmeren, zelfs wanneer bedrijf tot bedrijf verschillende positieve en negatieve spanningen hebben, deze zijn allemaal configureerbaar via de poortchauffeur, zei Weber.

Weber zei dat klanten hun ontwikkelingscycli en ontwikkelingstijd met maximaal zes maanden hebben kunnen verkorten. “Het idee dat je software kunt gebruiken om dingen te doen die je vroeger deed met het soldeerpistool of de re-spins van het bord, is een andere mindset. Maar weet je, voor de klanten die het zijn gaan gebruiken, beschouwen ze het als baanbrekend."

Hij merkte ook op dat het klanten meer flexibiliteit geeft, vooral in tijden van supply chain-uitdagingen. "Bedrijven zullen tussen leveranciers kunnen schakelen als het aanbod beschikbaar is."

Microchip implementeert de ASD2 digitale gate driver IC in een serie gate driver board producten, die gate driver cores worden genoemd - half-bridge apparaten met voeding gate drivers met een microprocessor en een zekere mate van configureerbaarheid en controle. Het bedrijf ondersteunt ook branchebrede compatibiliteit met een reeks adapterkaarten of dochterkaarten die het gebruik mogelijk maken van verschillende industriestandaard moduletypes die zowel Microchip als concurrenten aanbieden.

De digitale gate-driver stelt ontwerpers ook in staat om de MOSFET te optimaliseren voor de toepassing van vandaag in plaats van vijf of tien jaar te optimaliseren om rekening te houden met degradatie van de schakelaar in de loop van de tijd of bij gebruik.

“Met onze stuurprogramma's is een van de dingen waar klanten naar kijken en waarin ze geïnteresseerd zijn, de mogelijkheid om vandaag de dag te optimaliseren voor de MOSFET, met het idee dat als de MOSFET na verloop van tijd verslechtert, ze de instellingen kunnen wijzigen om rond de MOSFET te optimaliseren. Op deze manier halen ze vandaag meer efficiëntie uit het systeem en geven ze die efficiëntie niet op door te ontwerpen voor een toekomstige worst case”, aldus Weber.

Dit kan worden gedaan in een analoge oplossing en er zijn altijd meerdere manieren om daar te komen, maar wat zijn de kosten, afwegingen en tijd die wordt besteed aan het ontwikkelen van de oplossing, voegde hij eraan toe.

Standaard stuurprogramma's gebruiken

Leveranciers zijn het erover eens dat het mogelijk is om standaarddrivers te gebruiken om de SiC-apparaten te besturen, maar ze moeten beslissen over de omvang van de afweging en die afweging brengt meestal extra circuits of grotere externe apparaten met zich mee. Een manier om het rinkelen en overspanning te verminderen bij gebruik van een standaarddriver is bijvoorbeeld door de poort groter te maken Weerstand.

Balogh merkte andere zaken op waarmee rekening moet worden gehouden, zoals beveiligingsfuncties, vergrendeling van onderspanning, werking met hogere frequentie, sneller schakelen en hotspots op de matrijs, die allemaal van invloed kunnen zijn op vermogensverliezen, EMI en grootte.

Bovendien neemt de extra schakeling meestal veel meer ruimte in beslag dan een geïntegreerde oplossing en dedicated SiC, dus er zijn veel minpunten, en daarom kiezen duurdere ontwerpen voor een dedicated SiC core driver, die rekening houdt met zaken als sneller schakelen , overspanningsomstandigheden en problemen rond ruis en EMI, zei hij.

"Je kunt altijd een standaard gate-driver gebruiken, maar je moet deze aanvullen met extra circuits en meestal is dat de afweging", zei Balogh.

Als voorbeeld kan voor een klein ontwerp met hoge vermogensdichtheid een standaard niet-geïsoleerde gate-driver in een SOT23-pakket worden gebruikt, zei Balogh. Niet-geïsoleerde stuurprogramma's zijn niet direct toepasbaar, maar het kan worden gedaan en veel mensen nemen deze weg, zei hij.

over Analog DevicesInc.Infineon TechnologiesMicrochip TechnologyTexas Instruments