Como selecionar o driver de portão certo para o seu SiC MOSFET

Carboneto de silício (SiC) mosfet fizeram incursões significativas no poder Semicondutores indústria graças a uma série de benefícios em relação aos interruptores baseados em silício. Isso inclui comutação mais rápida, maior eficiência, maior Voltagem operação e temperaturas mais altas que resultam em designs menores e mais leves. Isso os ajudou a encontrar casas em uma variedade de aplicações automotivas e industriais. Mas dispositivos de largura de banda larga (WBG) como o SiC também apresentam desafios de design, incluindo interferência eletromagnética (EMI), superaquecimento e condições de sobretensão, que podem ser resolvidos escolhendo o driver de gate correto.

Como os gate drivers são usados ​​para acionar o dispositivo de energia, é uma peça crítica do quebra-cabeça de energia. Uma maneira de garantir um design otimizado usando SiC inclui primeiro considerar cuidadosamente sua escolha do acionador de portão. Simultaneamente, é necessário examinar atentamente os principais requisitos de seu projeto - eficiência, densidade e, é claro, custo - porque sempre há compensações, dependendo dos requisitos da aplicação.

Apesar dos benefícios inerentes do SiC, o preço ainda é um obstáculo para a adoção. Se você olhar para SiC versus silício em uma base de comparação de peças, será mais caro e difícil de justificar, a menos que os projetistas olhem para o custo total da solução, de acordo com a potência IC fabricantes.

Então, vamos primeiro abordar as aplicações, benefícios e compensações do SiC versus MOSFETs de silício ou IGBTS. Os FETs de SiC oferecem menor resistência (graças a uma tensão de ruptura mais alta), alta velocidade de saturação para comutação mais rápida e uma energia de bandgap 3x maior, o que resulta em uma temperatura de junção mais alta para melhor resfriamento e condutividade térmica 3x maior, o que se traduz em maior densidade de potência.

Há um acordo da indústria de que Si MOSFETs e GaN de baixa tensão atuam na faixa de <700-V e acima disso é onde o SiC entra em ação com um pouco de sobreposição na faixa de potência inferior.

O SiC está substituindo principalmente aplicações do tipo IGBT de silício acima de 600 V e acima de 3.3 kW, e ainda mais em cerca de 11 kW, o que é realmente um ponto ideal para o SiC, o que significa operação em alta tensão, baixas perdas de comutação e maior estágio de potência de frequência de comutação, disse Rob Weber, diretor de linha de produtos, driver de porta digital (AgileSwitch), gerenciamento discreto e de energia, Microchip Equipar.

Isso permite o uso de filtros menores e passivos e reduz as necessidades de resfriamento, disse ele. “Estamos falando de benefícios em nível de sistema versus IGBTs, o que é basicamente uma redução de tamanho, custo e peso.

“De uma perspectiva de perda, você pode reduzir as perdas em até 70 por cento, por exemplo, em uma frequência de comutação de 30 kHz, e isso é o resultado de algumas das diferentes características do carboneto de silício em termos de campo de decomposição, saturação de elétrons velocidade, energia do bandgap e condutividade térmica ”, disse Weber.

O benchmark que os engenheiros observam é a eficiência, o que resulta em níveis de melhoria, mas a outra coisa que está acontecendo cada vez mais no SiC são os benefícios em nível de sistema em relação aos IGBTs, disse Weber.

“Com o carboneto de silício, você pode operar em uma frequência de chaveamento mais alta, o que permite ter componentes externos menores que circundam o estágio de energia imediato, como filtros, por exemplo, que são dispositivos magnéticos grandes e pesados; operar em temperaturas mais altas ou operar em temperaturas mais baixas devido às perdas de chaveamento mais baixas; substitua um sistema refrigerado a líquido por um sistema refrigerado a ar e reduza o tamanho do dissipador de calor ”, explicou.

Essa redução de tamanho e peso do componente, que se traduz em menor custo, significa que o SiC vai muito além de obter melhor eficiência, afirmou.

No entanto, em uma comparação de preços entre peças, o SiC ainda é mais caro do que os IGBTs tradicionais baseados em silício. “O SiC módulo custará mais para cada fabricante, mas quando você olha para o sistema total, os custos do sistema SiC são mais baixos”, disse Weber.

Em um exemplo compartilhado por Weber, um cliente conseguiu obter uma redução de seis por cento nos custos do sistema ao usar um SiC mosfet.

Depois que o projetista tomar a decisão de mudar para o SiC, ele também precisará analisar as vantagens e desvantagens. Poder Semicondutor os fabricantes concordam que existem “efeitos secundários”, como ruído, EMI e sobretensão, que devem ser tratados.

“Quando você troca esses dispositivos mais rápido, você potencialmente cria mais ruído que se traduzirá em EMI”, disse Weber. “Além disso, embora o SiC seja ótimo em tensões mais altas, ele também é muito menos robusto do que os IGBTs.o circuito condições e você está obtendo variabilidade em sua tensão, então você obtém condições de sobretensão, o que está fazendo com que alguns projetistas usem dispositivos de SiC com tensão nominal mais alta, para que possam controlar melhor a sobretensão e o superaquecimento ”.

É aqui que a seleção do driver do portão desempenha um grande papel. O SiC tem requisitos exclusivos para características como tensão de alimentação, proteção rápida contra curto-circuito e alta imunidade dv / dt.

Selecionando o driver do portão SiC

Quando se trata de selecionar o driver de gate correto para os switches SiC, é necessária uma nova mentalidade ao pensar sobre a solução de energia em comparação com os dispositivos baseados em silício. As principais áreas a serem examinadas incluem topologia, tensão, polarização e recursos de monitoramento e proteção.

A seleção do gate driver é vital e, historicamente, era aceitável usar uma abordagem sequencial para selecionar o gate driver, disse Weber. “Antes do SiC você escolheria primeiro o IGBT, depois o acionador do portão, depois os barramentos e o capacitoretc.”, disse Weber. “Mudou totalmente. Você tem que observar toda a solução holística que está construindo e as compensações em cada etapa, em vez da abordagem sequencial que você tem com os IGBTs. Tem sido uma educação para muitos clientes.”

Além disso, há uma variedade de gate drivers para SiC que variam em recursos e integração (e preço), visando designs simples a mais complexos.

Como exemplo, a Analog Devices Inc. (ADI) organiza seus gate drivers por classe - funções básicas, “protegendo” com recursos de proteção como proteção de sobrecorrente e detecção de falhas, além de configurabilidade totalmente programável. Os drivers de porta isolados da ADI são baseados na tecnologia de isolamento iCoupler da empresa combinada com CMOS de alta velocidade e tecnologia de transformador monolítico, que oferece atraso de propagação ultrabaixo sem sacrificar o desempenho de imunidade transitória de modo comum (CMTI), de acordo com a empresa. A ADI também oferece um portfólio de placas de avaliação e designs de referência que fornecem um bom ponto de partida para o design de produtos.

Topologia, nível de energia, proteção e requisitos de segurança funcional e a geração do dispositivo SiC em uso ditarão o tipo de driver necessário para a aplicação, disse Lazlo Balogh, chefe de engenharia de sistema, energia de alta tensão, Texas Instruments Inc.

Por exemplo, um driver não isolado, que pode exigir muitos circuitos extras, é bom para aplicações mais simples, onde nem tudo precisa ser integrado ao driver, disse ele.

Também existem drivers isolados que podem lidar com o viés negativo e problemas de isolamento, mas ainda precisarão de algum tipo de monitoramento no sistema, até dispositivos que oferecem maior integração, como circuito de monitoramento e proteção e segurança funcional para aplicações automotivas, acrescentou.

“A lista de verificação para implantar o SiC da maneira certa é olhar para a topologia e que tipo de dispositivos você tem que dirigir, em seguida, escolher o driver do gate, otimizar a polarização, descobrir que tipo de proteção é necessária e, em seguida, otimizar o layout,” Balogh disse.

Do ponto de vista do driver, é ter a polarização certa, portanto, a capacidade de tensão certa, se você precisa de drivers de porta isolados ou não isolados, quanta proteção é necessária, o que está vinculado ao nível de integração [para proteção e segurança] ou como muitos circuitos extras são necessários, ele acrescentou.

Uma das coisas que tem dificultado um pouco o SiC é a percepção de que, por causa da maior velocidade de chaveamento, ele precisa ser colocado em um pacote onde a indutância da fonte é eliminada, o que normalmente é feito com a conexão da fonte Kelvin, disse Balogh. . “A indutância da fonte pode ser desagradável e causar muitos toques e perdas de energia adicionais porque retarda a ação de comutação.”

“É aqui que o engenheiro de layout se torna seu melhor amigo, porque você realmente precisa olhar para o layout para atenuar o toque e otimizá-lo para comutação de alta velocidade”, disse Balogh. Isso inclui minimizar as indutâncias de traço e separar o loop do gate do loop de potência e contornar adequadamente [do caminho da corrente comutada e da banda de frequência ampla] selecionando os componentes corretos, acrescentou ele.

O que é realmente crítico é conectar o driver ao switch, disse Balogh. Você tem que conectar o terra do driver diretamente à fonte do interruptor de alimentação por causa das indutâncias parasitas que podem aumentar as perdas de comutação, disse ele.

A Texas Instruments oferece uma série de placas / designs de referência que aproximam os clientes de seus requisitos de desempenho. Sempre há poucas compensações e a TI pode ajudá-los a otimizar seus projetos com base em suas necessidades, como se eles precisassem de eficiência máxima em carga total, disse Balogh. Seu conselho: Leia as notas de aplicação e entre em contato com os engenheiros de aplicação se tiver alguma preocupação com o WBG.

A TI oferece uma variedade de drivers de porta Si e IGBT, incluindo UCC21710, UCC21732 e UCC21750. Estes são drivers de porta isolados com proteção integrada e recursos de detecção. Os dispositivos fornecem tempo de detecção rápido para proteger contra eventos de sobrecorrente, garantindo o desligamento seguro do sistema.

Mladen Ivankovic, engenheiro de aplicações regionais da Infineon Technologies, disse ao selecionar um SiC MOSFET a primeira pergunta crítica a fazer é “preciso de condução unipolar ou bipolar” para esse componente.

Existem drivers rápidos e robustos no mercado que podem conduzir tanto Si quanto SiC, mas o que as pessoas precisam ter cuidado ao mudar de Si para SiC é como você o dirige, porque o silício é movido com uma voltagem típica de 12 volts, disse Ivankovic . “Você está usando 12 V para ligar e 0 V para desligar, então a faixa de voltagem normal para o driver de acionamento de componentes de silício ou MOSFETS de superjunção é de 0 a 12 volts e isso é em toda a linha de qualquer fornecedor de componente de silício, ele adicionou.

Por outro lado, os dispositivos SiC de diferentes fornecedores terão diferentes tensões para ligar / desligar. Existem MOSFETs SiC no mercado, por exemplo, que requerem +15 V para ligá-lo e -4 V para desligá-lo, ou +20 V para ligar e -2 ou -5 V para desligar, Ivankovic disse. “Isso requer um driver que permita o uso de tensões positivas e negativas.”

Mas com um Infineon SiC, você só precisará de uma faixa de voltagem mais ampla, disse ele. “Portanto, em vez de 0 a 12 V, você precisará acioná-lo com 0 a 18 V e poderá usar o mesmo driver que é usado para Si ou SiC.”

Portanto, você deve ter cuidado se precisa de um driver de portão unipolar ou de um positivo e um negativo para conduzir o componente de maneira adequada, disse Ivankovic.

A Infineon introduziu recentemente os CIs de driver de gate analógico (3ED1xx) e digital (34ED1xx) aprimorados EiceDRIVER X38 Enhanced para uma variedade de aplicações industriais. Ambas as famílias são projetadas para IGBTs, bem como MOSFETs de Si e SiC em pacotes discretos e de módulo. O 1ED34xx oferece um tempo de filtro de dessaturação ajustável e corrente de desligamento suave com resistores externos e o 1ED38xx fornece configurabilidade I2C para vários parâmetros, incluindo controle ajustável e funções de proteção, como proteção contra curto-circuito, soft-off, bloqueio de subtensão, uma pinça Miller , desligamento por superaquecimento e desligamento em dois níveis (TLTO).

Outra consideração importante é a capacidade de corrente de pico, de acordo com Eric Benedict, engenheiro de aplicativos sênior da ADI, que ele abordou em um webinar de sessão de treinamento com a Wolfspeed. “Então, por que esse é um recurso importante na condução dos interruptores? Na maioria dos casos, isso se resumirá à eficiência na forma de perdas de comutação reduzidas. Para concluir a transição de comutação, o gate precisa fornecer carga suficiente para os gates para que o switch fique totalmente ligado. Acelerar a comutação significa fornecer essa carga mais rapidamente e, como a corrente é carga versus tempo, a comutação mais rápida significa mais corrente de acionamento do portão. Assim, o pico de corrente de acionamento será determinado pela tensão de alimentação da porta na resistência total no circuito da porta. ”

A advertência de Bento XVI ao examinar as planilhas de dados é que os fabricantes relatam as correntes de saída do gate-driver com base em diferentes condições de teste. “Alguns especificam correntes que são recuperadas durante um pulso de muito curto-circuito onde você causa curto na saída, enquanto outros usam correntes que são medidas quando você tem alguma resistência de porta realista presente, então você precisa ter cuidado ao comparar as especificações dos diferentes dispositivos . ”

Alguns dos pontos-chave abordados na sessão de treinamento incluem a importância de selecionar um driver de porta que tenha capacidade de acionamento suficiente para aproveitar as frequências de comutação para reduzir as perdas, fornecendo imunidade adequada a transientes de modo comum, com foco no layout de modo ele é ajustado para SiC, como a minimização de parasitas e a compreensão de que a proteção contra dessaturação ou curto-circuito é diferente de um IGBT.

Drivers de portão digital configuráveis

Muitos fabricantes líderes de CI de potência desenvolveram tecnologias e soluções exclusivas de driver de porta SiC para lidar com alguns dos efeitos secundários, bem como para maximizar os benefícios de fazer a mudança para uma tecnologia WBG.

A Microchip, por exemplo, adota uma abordagem digital com seus drivers AgileSwitch, que inclui uma técnica única chamada “Comutação Aumentada”. Um elemento chave desta técnica é o ligar / desligar configurável, oferecendo uma série de etapas que controlam os níveis de tensão e o tempo nesses níveis de tensão. Isso permite que os projetistas configurem os perfis de ligar / desligar digitalmente por meio de software, eliminando a necessidade de fazer alterações no hardware. A técnica também inclui níveis adicionais de detecção de monitoramento de falha e resposta a curto-circuito.

A Microchip alega melhorias significativas: até 50% menos perdas de chaveamento e 80% menos overshoot de tensão.

“Uma abordagem analógica tradicional é certamente adequada para interruptores de silício, onde muitos desses efeitos secundários não eram problemas em conduzir um IGBT lento, mas o carboneto de silício é um animal totalmente diferente”, disse Weber.

Um dos principais elementos da tecnologia de acionamento de portão digital é proteger uma condição de curto-circuito muito rapidamente e, em seguida, responder a ela de maneira segura, disse Weber.

A Microchip introduziu recentemente seu driver de portão digital Geração 2 que adicionou novos níveis de controle sobre os dispositivos de primeira geração. Os gate drivers configuráveis ​​podem ser usados ​​com SiC MOSFETs de qualquer fornecedor.

As diferenças nos MOSFETS têm a ver com as tensões de ativação e desativação, portanto, a capacidade de programar os níveis de tensão +/- mesmo quando empresa a empresa podem ter tensões positivas e negativas diferentes, todas são configuráveis ​​através do motorista do portão, Weber disse.

Weber disse que os clientes conseguiram reduzir seus ciclos de desenvolvimento e tempo de desenvolvimento em até seis meses. “A ideia de que você pode usar o software para fazer coisas que você costumava fazer com a pistola de solda ou a volta da placa é uma mentalidade diferente. Mas você sabe que, para os clientes que começaram a adotá-lo, eles consideram isso uma virada de jogo. ”

Ele também observou que isso dá aos clientes mais flexibilidade, especialmente em tempos de desafios da cadeia de suprimentos. “As empresas serão capazes de se mover entre fornecedores conforme o suprimento estiver disponível.”

A Microchip implementa o IC de driver de porta digital ASD2 em uma série de produtos de placa de driver de porta, que são referidos como núcleos de driver de porta - dispositivos de meia ponte com drivers de porta de fonte de alimentação com um microprocessador e algum nível de configurabilidade e controle. A empresa também oferece suporte para compatibilidade em toda a indústria com uma linha de placas adaptadoras ou placas-filha que permitem o uso de diferentes tipos de módulos padrão da indústria que a Microchip e os concorrentes oferecem.

O driver do portão digital também permite que os projetistas otimizem o MOSFET para a aplicação atual, em vez de otimizá-lo por cinco ou 10 anos para compensar a degradação do switch com o tempo ou uso.

“Com nossos drivers, uma das coisas que os clientes estão olhando e estão interessados ​​é a capacidade de otimizar para o MOSFET hoje, com a ideia de que, com o tempo, se o MOSFET degradar, eles podem alterar as configurações para otimizar em torno do MOSFET. Dessa forma, eles obtêm mais eficiência do sistema hoje e não abrem mão dessa eficiência projetando para o pior caso futuro ”, disse Weber.

Isso pode ser feito em uma solução analógica e sempre há várias maneiras de chegar lá, mas quais são os custos, compensações e tempo gasto para desenvolver a solução, acrescentou.

Usando drivers padrão

Os fornecedores concordam que é possível usar drivers padrão para controlar os dispositivos SiC, mas eles têm que decidir sobre a magnitude da compensação e essa compensação geralmente envolve circuitos extras ou dispositivos externos maiores. Por exemplo, uma maneira de reduzir o toque e a sobretensão ao usar um driver padrão é aumentar o tamanho do portão Resistor.

Balogh observou outras questões que precisam ser consideradas, como funções de proteção, bloqueio de subtensão, operação de frequência mais alta, comutação mais rápida e pontos quentes na matriz, que podem ter um impacto nas perdas de energia, EMI e tamanho.

Além disso, o circuito extra geralmente ocupa muito mais espaço do que uma solução integrada e SiC dedicado, então há muitos pontos negativos e, por esse motivo, designs de ponta optam por um driver de núcleo SiC dedicado, que leva em consideração coisas como comutação mais rápida , condições de sobretensão e problemas em torno de ruído e EMI, disse ele.

“Você sempre pode usar um driver de portão padrão, mas tem que complementá-lo com circuitos adicionais e geralmente essa é a compensação”, disse Balogh.

Como exemplo, para um projeto pequeno de alta densidade de potência, um driver de porta não isolado padrão em um pacote SOT23 pode ser usado, disse Balogh. Os drivers não isolados não são diretamente aplicáveis, mas pode ser feito e muitas pessoas seguem esse caminho, disse ele.

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