A adoção do carboneto de silício acelerou dramaticamente nos últimos anos, graças ao sólido progresso tecnológico na qualidade e desempenho de componentes, sua disponibilidade e o surgimento de aplicativos que se beneficiam desse desempenho. A UnitedSiC buscou uma estratégia de inovação tecnológica contínua, para fornecer os componentes de potência Rds(on) mais baixos na faixa de 650V-1200V [1], baseados nas excelentes características e altos rendimentos de nosso SiC JFET proprietário. tecnologia.
Com o recente lançamento da série Gen 4 (G4) UJ4C SiC FET, abrimos o próximo capítulo na expansão do uso de SiC em aplicações de conversão de energia e inversores com uma grande melhoria nas características do dispositivo, visando fornecer aos usuários o próximo nível de benefícios de desempenho e custo do sistema.
Características Comparativas de Tecnologias Disponíveis
Os primeiros produtos UJ4C da UnitedSiC (consulte a Tabela 1) têm como alvo uma classificação VDS(MAX) de 750 V em vez de 650 V, para atender aplicações que usam um barramento de 500 V CC, ao mesmo tempo em que atendem às aplicações tradicionais de barramento de 300/400 V. Os dispositivos mantêm a classificação de porta de +/- 20 V, proteção ESD integrada e a capacidade de usar unidades de porta unipolares simples habilitadas pelo VTH de 5 V, que são todos recursos da arquitetura cascode do SiC FET. Em aplicações de alta frequência, podem ser usados acionamentos de gate de 0 a 10 V, com impacto mínimo na perda de condução. A resistência específica ultrabaixa deste tecnologia (SiC JFET 0.7mohm-cm2) permite cerca de metade da resistência em um determinado tamanho de pacote em relação aos MOSFETs SiC de 650V.
Em uma determinada resistência, o batatas fritas são reduzidos, o que leva a capacitâncias muito mais baixas. Isso, por sua vez, leva a menores perdas de comutação. Os pacotes TO247-3L e 4L usam a tecnologia de sinterização Ag para aumentar a resistência térmica em conjunto com o afinamento de cavacos, para mitigar os efeitos do molde JFET menor e permitir que uma excelente resistência térmica RTHJC junção-a-caixa seja alcançada. Os dispositivos preservam a capacidade de lidar com eventos de avalanche e são especialmente bons para lidar com eventos de avalanche de baixa energia e alta corrente de até 2X a corrente nominal. O excelente comportamento do terceiro quadrante com baixo VFSD (<1.5 V) e QRR independente de baixa temperatura é outra característica dos SiC FETs, e os dispositivos G4 têm QRR muito reduzido do que seus equivalentes G3 anteriores, impulsionados pela redução do COSS.
Na Tabela 2, comparamos os parâmetros tecnológicos para o estado da arte de SiC mosfet, Dispositivos Superjuncton e G4 SiC FETs. As linhas que mostram RDSA indicam a resistência mohm-cm2 da área do chip ativo a 25C e 125C. Esta é a resistência do JFET usado para construir o cascode SiC FET, e a resistência adicional do LVMOS pode adicionar 10% a este número. O 5V VTH do G4 SiC FET em conjunto com o drive de porta de 0 a 12 V é único e oferece a melhor figura de mérito Qg.V disponível para perda de drive de porta. A operação desses dispositivos a 500kHz-1MHz pode ser realizada sem superaquecer os drivers de gate padrão.
O cascode formação permite a menor queda de diodo de corpo VFSD disponível de todas as opções de gap largo, permitindo o uso desses dispositivos no modo de retificação não síncrona. Como o desempenho de recuperação reversa QRR também é excelente, a figura de mérito geral VF * QRR é incomparável para G4 SiC FETs. Isso permite um excelente desempenho de comutação de hardware e evita falhas de dispositivo em circuitos ZVS se a comutação de hardware ocorrer sob quaisquer condições de carga. As figuras de mérito RDS * EOSS e RDS * COSS, TR com base na resistência net cascode são usadas para avaliar a capacidade fundamental da tecnologia para aplicações de comutação de hardware e software e podem ser consideradas as melhores da classe. Esses dispositivos podem permitir uma implementação mais simples de circuitos comutados por software de alta frequência, como LLC, CLLC, DAB e PSFB.
Tabela 1: Principais parâmetros dos primeiros produtos Gen 4 SiC FET
Tabela 2: Comparação de parâmetros para G4 750V SiC FETs com 650V SiC MOSFETs e FETs de diodo rápido de Superjunção 600V
Comutação de formas de onda e gerenciamento de velocidade de comutação A Figura 1 mostra as formas de onda de comutação de meia ponte dos dispositivos 60V 18mohm e 750mohm em um pacote TO247-4L medido em 400V, 20A e 50A, respectivamente. As formas de onda são mostradas comparando um grande Rg para controlar a ativação e desativação com o uso de um snubber RC no dispositivo com um Rg baixo no portão. Ambos os circuitos empregam um snubber RC do barramento CC para o aterramento, conhecido como snubber de barramento [2].
A linha superior da Figura 1 mostra o comportamento de comutação do 60m, 750 V SiC FET UJ4C075018K4S. A diferença na perda de ativação usando apenas um Rg = 25 ohm (171uJ) vs um baixo Rg de 1 ohm junto com um amortecedor RC de fonte de drenagem de 10hm, 95pF (142uJ) é pequena. O di / dt de ativação é significativamente mais lento com Rg = 25 ohm, mas a corrente de recuperação de pico não é muito diferente. O dV / dt máximo durante o ligamento é semelhante, uma vez que é definido pelo JFET SiC, e não alterado pelo Rg aplicado ao LV MOSFET no SiC FET. O atraso na ativação é maior com 25ohm Rg.
O comportamento de desligamento para os casos usando um Rgoff de 20 ohm (37uJ), contra um Rgoff de 1 ohm junto com um amortecedor RC de fonte de drenagem de 10hm, 95pF (17uJ), mostra que usando um amortecedor, perdas menores podem ser obtidas, enquanto preservando um pequeno atraso de desligamento e um pouco menos de overshoot de VDS e toque reduzido. As perdas mostradas incluem o snubber
perda, que é extraída separadamente na folha de dados, e é muito pequena [2, 3]. No entanto, em correntes mais baixas como 20A, o amortecedor não é necessário em muitas aplicações, uma vez que as perdas adicionadas com o controle Rg simples não são excessivas. O uso de snubbers de barramento ainda é recomendado, pois melhora o desempenho do ringing com impacto mínimo de perda.
No entanto, em 50A, as formas de onda que usam amortecedores são muito superiores e permitem uma redução na perda total de chaveamento EON + EOFF em quase 36%. Usando o Rg baixo, os tempos de atraso também podem ser mantidos baixos. Nas curvas inferiores na Figura 1, os dados de comutação a 50A, 400V para o UJ4C075018K4S (18m, 750V) são comparados para os casos usando um 25ohm Rgon / 50ohm Rgoff vs. um Rg = 1ohm com um amortecedor RC de 10ohm, 300pF através do dreno-fonte de cada dispositivo. O baixo Rg de 1ohm só pode ser usado se o amortecedor estiver no lugar para gerenciar os overshoots e ringing. Esse arranjo permite a comutação em um di / dt muito mais rápido com tempo de retardo na ativação reduzido. A perda de ativação (incluindo perda de amortecimento) é agora vista como 418uJ versus 483uJ impulsionada pelo di / dt operacional mais rápido. Observe, entretanto, que este di / dt mais rápido não veio com nenhum aumento significativo na corrente de recuperação de pico.
Da mesma forma, as formas de onda de desligamento de 50A, 400 V no canto inferior direito da Figura 1 mostram que a comutação muito mais rápida e o tempo de atraso reduzido com o caso de amortecimento Rg = 1ohm mais RC é alcançado sem excesso de VDS excessivo ou toque de nó de fase. O tempo de atraso para desligar também é muito curto. Dado que o EOFF com o Rg = 1ohm com snubber RC é apenas 55uJ em comparação com 255uJ quando um 50ohm Resistor é usado para reduzir o excesso de tensão a um nível comparável, fica claro que o uso do amortecedor é muito vantajoso para aplicações de corrente mais altas >20A.
A escolha exata do amortecedor pode depender da aplicação, em geral o circuito indutâncias e níveis de corrente de pico para desligamento, e pode não ser necessário se as correntes estiverem abaixo de 25A. A perda no snubber Resistor é melhor medido diretamente integrando a perda V2/R ao ligar e desligar. Esses valores são indicados nas folhas de dados do produto [2] e são 1.7uJ a 20A, 400V para o UJ4C075060K4S com um amortecedor de 10ohm, 95pF e 9.5uJ a 50A, 400V para UJ4C075018K4S com um amortecedor de 10ohm, 300pF.
Recomenda-se que o dispositivo use simplesmente um drive de porta de 0 a 12 V ou 15 V, embora com alterações apropriadas nos valores RG [4], -5 V a 15/18/20 V e outros trilhos de tensão de porta comuns possam ser usados. Freqüentemente, 0 a 10 V são empregados ao alternar acima de 300 kHz. A Figura 2 compara as formas de onda de comutação de meia ponte para o dispositivo de 18m, 750V e 60m, 750V usando o pacote TO247-4L vs TO247-3L, com acionamento de porta de 0-15V, usando apenas um amortecedor de barramento. O Superior
a linha mostra as formas de onda de ativação e desativação para o dispositivo de 60m, 750V usando o mesmo Rgon = 1ohm, Rgoff = 20ohm para ambos os dispositivos. As linhas sólidas são para o pacote 3L, enquanto as linhas tracejadas são para o TO247-4L.
O ligamento mais rápido di / dt é, obviamente, esperado para o TO247-4L, uma vez que a indutância de fonte comum é ignorada, levando a um EON mais baixo, apesar de um pico de corrente mais alto. O toque do portão VGS é muito melhorado com o TO247-4L. O toque do VGS para o TO247-4L também é melhor no desligamento, embora aqui, o pico do VDS overshoot seja menor com o pacote 3L junto com um EOFF maior.
A metade inferior da Figura 2 mostra o uso dos dois tipos de encapsulamento para comutação 50A, 400V do dispositivo 18m, 750V em meia ponte, cada um com um amortecedor de 10 ohm, 300pF, Rg = 1ohm e drive de porta 0-15V. Agora há uma diferença muito maior nas formas de onda e perdas de comutação entre os tipos de pacote 3L e 4L. Os dispositivos 3L têm perda de ativação (1.67x) e perda de desativação (4X) significativamente maiores com VDS overshoot e dV / dts semelhantes, e com maior toque de VGS, especialmente ao desligar. Claramente, para usar pacotes TO247 em correntes mais altas, usar a combinação do pacote 4L com o snubber RC do dispositivo permite um desempenho de pico com formas de onda de comutação bem gerenciadas.
Visão geral dos benefícios do aplicativo
Agora podemos ver como esses recursos dos FETs G4 SiC impactam uma variedade de aplicações de dispositivos. A Figura 3a mostra um exemplo de uso de 60m, 750V em um Totem Pole PFC de 3.6KW o circuito. O Semicondutores a eficiência traçada é calculada a partir da condução medida e das perdas de comutação dos dispositivos, contabilizando o aumento de temperatura, mas não incluindo o controlador, Indutor ou outras perdas do sistema. As baixas perdas de condução e comutação, excelente recuperação de diodo e acionamento de porta simples levam à alta eficiência vista aqui. Esta eficiência atende ou supera aquela alcançável por um SiC mais caro mosfet opções que exigem acionamentos de portão mais complexos. Ambas as versões 3L e 4L do pacote TO247 são suportadas. A Figura 3b mostra os mesmos dados, comparando a eficiência com a perna lenta do TPPFC substituída por um diodo retificador de Si em vez de um SiC FET.
Figura 3: Semicondutores eficiência usando vários FETs SiC em um PFC Totem-Pole o circuito em 65kHz contabilizando apenas as perdas no dispositivo de potência. O gráfico à esquerda usa FETs de SiC para as pernas de comutação rápida e lenta, enquanto o gráfico à direita compara a diferença usando FETs de SiC na perna rápida (1x UF3C065030K3S), com diodos retificadores de Si na perna lenta. A opção de diodo Si reduz a eficiência em cerca de 0.2%. O termo 1Ph 2P indica 1 fase com 2 partes em paralelo. Os dispositivos UF3C são dispositivos G3, incluídos aqui para mostrar o desempenho relativo aos dispositivos UJ4C G4
Tabela 3: Perdas de semicondutores em um circuito LLC de 3600W usando FETs G4 SiC em várias frequências. São possíveis eficiências muito altas, com cada dispositivo contribuindo com perdas de <6.27 W, mesmo a 500 kHz
econômico, economizando dois transistores e drives de porta, mas uma queda de 0.2% na eficiência ocorre na linha alta. Enquanto um FET de 60mohm é suficiente para aplicações de 1.5KW, uma unidade de 18mohm ou duas de 60m em paralelo são melhores para 3 a 3.6KW. A opção de dispositivo único de 18mohm requer menor potência da unidade de gate e consome menos espaço.
A Tabela 3 é uma estimativa semelhante de Semicondutores perdas usando os FETs SiC de 60m e 18m, 750V em uma aplicação LLC de 3600W. As perdas de condução, de acionamento de porta e de diodo são adicionadas para estimar a perda líquida por dispositivo na carga máxima. Usando 2 FETs de SiC de 60 m em paralelo ou um único FET de SiC de 18 m, as perdas podem ser mantidas abaixo de 6.3 W por FET, mesmo a 500 kHz, permitindo uma eficiência muito alta com necessidade mínima de dissipação de calor. Embora as perdas sejam dominadas por perdas de condução, as contribuições relativas de desligamento, acionamento de porta e perdas de condução de diodo também são mostradas e são consideradas muito baixas usando as características do G4 SiC FET.
O uso de FETs UnitedSiC fornece um caminho simples para uma maior eficiência nessas aplicações com comutação suave, sem muita necessidade de alterar o drive do gate. Nesse caso, quando a operação ZVS é perdida, a capacidade do dispositivo de alternar o hardware sem recuperação deficiente do diodo garante que não ocorram falhas. O headroom de tensão adicional também ajuda a prolongar a vida útil do campo quando necessário.
Resumo
Neste artigo, revisamos os parâmetros dos novos FETs SiC G4 UJ4C 750V da UnitedSiC em comparação com MOSFETs SiC e FETs de superjunção na classe 600/650V. Em seguida, investigamos as características de comutação dos dispositivos nos pacotes TO247-4L e TO247-3L e demonstramos os benefícios do uso do pacote TO247-4L e, para correntes >25A, o valor dos amortecedores RC para gerenciar formas de onda de comutação e, ao mesmo tempo, minimizar as perdas. Usamos os parâmetros conhecidos do dispositivo para extrair as perdas tanto em um Totem-Pole PFC quanto em um exemplo LLC, mostrando como esses dispositivos podem permitir um caminho para a eficiência do 80Plus Titanium com uma implementação simples de gate drive. As vantagens em aplicações de comutação física e suave, juntamente com o gate drive mais fácil e a margem extra de 100 V, tornam esta uma nova entrada atraente no universo em rápida expansão de transistores SiC visando a faixa de aplicações de 600-750 V em carregadores EV, EV Conversores DC-DC, Datacenters, Energia de Telecomunicações, Energia Renovável e Armazenamento de Energia. Muitas informações adicionais podem ser encontradas no site da UnitedSiC.