Как выбрать правильный драйвер затвора для SiC MOSFET

Карбид кремния (SiC) МОП-транзисторы добились значительных успехов во власти Полупроводниковое промышленности благодаря ряду преимуществ по сравнению с кремниевыми коммутаторами. К ним относятся более быстрое переключение, более высокая эффективность, более высокая напряжение эксплуатации и более высоких температур, что приводит к уменьшению размера и легкости конструкции. Это помогло им найти дома в различных автомобильных и промышленных приложениях. Но устройства с широкой запрещенной зоной (WBG), такие как SiC, также создают проблемы проектирования, включая электромагнитные помехи (EMI), перегрев и перенапряжение, которые можно решить, выбрав правильный драйвер затвора.

Поскольку драйверы затвора используются для управления силовым устройством, это важная часть головоломки, связанной с питанием. Один из способов обеспечить оптимальную конструкцию с использованием SiC - это сначала тщательно продумать свой выбор драйвера затвора. В то же время это требует пристального внимания к ключевым требованиям вашего дизайна - эффективности, плотности и, конечно же, стоимости - потому что всегда есть компромиссы, в зависимости от требований приложения.

Несмотря на неотъемлемые преимущества SiC, ценообразование по-прежнему препятствует его внедрению. Если вы посмотрите на SiC и кремний на основе сравнения компонентов, это будет более дорого и трудно оправдать, если дизайнеры не смотрят на общую стоимость решения в зависимости от мощности. IC производители.

Итак, давайте сначала рассмотрим области применения, преимущества и компромиссы SiC по сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами или IGBTс. SiC FET имеют более низкое сопротивление в открытом состоянии (благодаря более высокому напряжению пробоя), высокую скорость насыщения для более быстрого переключения и в 3 раза большую ширину запрещенной зоны, что приводит к более высокой температуре перехода для улучшения охлаждения, и в 3 раза более высокую теплопроводность, что приводит к более высокой плотности мощности.

В отрасли существует соглашение о том, что низковольтные Si MOSFET и GaN работают в диапазоне <700 В и выше, где SiC вступает в игру с небольшим перекрытием в диапазоне более низких мощностей.

SiC в основном заменяет кремниевые IGBT-приложения с напряжением выше 600 В и выше 3.3 кВт, и тем более при мощности около 11 кВт, что на самом деле является более благоприятным местом для SiC, что означает работу при высоком напряжении, низкие потери на переключение и более высокую производительность. — силовой каскад с частотой переключения, — сказал Роб Вебер, директор по линейке продуктов, драйвер цифровых вентилей (AgileSwitch), дискретное управление и управление питанием, Microchip. Технологии.

По его словам, это позволяет использовать фильтры и пассивные элементы меньшего размера и снижает потребность в охлаждении. «Мы говорим о преимуществах системного уровня по сравнению с IGBT, которые в конечном итоге заключаются в уменьшении размера, стоимости и веса.

«С точки зрения потерь, вы можете уменьшить потери до 70 процентов, например, при частоте переключения 30 кГц, и это является результатом некоторых различных характеристик карбида кремния с точки зрения поля пробоя, электронного насыщения. скорость, энергия запрещенной зоны и теплопроводность », - сказал Вебер.

По словам Вебера, эталоном, на который обращают внимание инженеры, является эффективность, которая приводит к уровням улучшений, но еще одна вещь, которая все чаще происходит с SiC, - это преимущества системного уровня по сравнению с IGBT.

«С карбидом кремния вы можете работать на более высокой частоте переключения, что позволяет вам иметь меньшие внешние компоненты, которые окружают непосредственный силовой каскад, такие как, например, фильтры, которые представляют собой большие, тяжелые магнитные устройства; работают при более высоких температурах или работают при более низких температурах из-за меньших потерь переключения; заменить систему с жидкостным охлаждением на систему с воздушным охлаждением и уменьшить размер радиатора », - пояснил он.

По его словам, уменьшение размера и веса компонентов, что приводит к снижению стоимости, означает, что SiC выходит далеко за рамки повышения эффективности.

Однако при сравнении цен на детали SiC по-прежнему дороже, чем традиционные кремниевые IGBT. «SiC модуль будет стоить дороже у каждого производителя, но если вы посмотрите на всю систему, то увидите, что стоимость системы SiC ниже», — сказал Вебер.

В примере, представленном Weber, одному клиенту удалось снизить системные затраты на шесть процентов при использовании SiC. MOSFET.

После того, как разработчик принял решение перейти на SiC, ему также необходимо рассмотреть возможные компромиссы. Власть полупроводник Производители согласны с тем, что существуют «вторичные эффекты», такие как шум, электромагнитные помехи и перенапряжение, с которыми необходимо бороться.

«Когда вы переключаете эти устройства быстрее, вы потенциально создаете больше шума, который перерастет в электромагнитные помехи», - сказал Вебер. «Кроме того, хотя SiC хорош при более высоком напряжении, он также намного менее надежен, чем IGBT, если коротко -схема условия, и вы получаете изменчивость в вашем напряжении, поэтому вы получаете условия перенапряжения, что заставляет некоторых разработчиков использовать устройства SiC с более высоким номинальным напряжением, чтобы они могли лучше контролировать перенапряжение и перегрев ».

Здесь большую роль играет выбор драйвера ворот. SiC предъявляет уникальные требования к таким характеристикам, как напряжение питания, быстрая защита от короткого замыкания и высокая устойчивость к dv / dt.

Выбор драйвера затвора SiC

Когда дело доходит до выбора правильного драйвера затвора для SiC-переключателей, необходимо по-новому взглянуть на решение питания по сравнению с кремниевыми устройствами. Ключевые области, на которые следует обратить внимание, включают топологию, напряжение, смещение, а также функции мониторинга и защиты.

«Выбор драйвера ворот имеет жизненно важное значение, и исторически было нормально использовать последовательный подход к выбору драйвера ворот», — сказал Вебер. «До SiC вы сначала выбирали IGBT, затем драйвер затвора, затем шины и конденсатори т. д.», — сказал Вебер. «Все полностью изменилось. Вам нужно рассматривать все целостное решение, которое вы создаете, и компромиссы на каждом этапе, а не этот последовательный подход, который вы используете с IGBT. Это стало обучением для многих клиентов».

Кроме того, существует множество драйверов затворов для SiC, которые различаются по функциям и интеграции (и цене), ориентированные на простые и более сложные конструкции.

Например, Analog Devices Inc. (ADI) упорядочивает свои драйверы затворов по классам - базовые функции, «защита» с такими функциями защиты, как защита от перегрузки по току и обнаружение неисправностей, а также полная программируемая настраиваемость. Изолированные драйверы затвора ADI основаны на технологии изоляции iCoupler в сочетании с высокоскоростной CMOS и технологией монолитного трансформатора, которая обеспечивает сверхнизкую задержку распространения без ущерба для характеристик устойчивости к синфазным переходным процессам (CMTI), по словам компании. ADI также предлагает портфель оценочных плат и эталонных дизайнов, которые служат хорошей отправной точкой для разработки продукта.

Топология, уровень мощности, требования к защите и функциональной безопасности, а также поколение используемых устройств SiC будут определять тип драйвера, необходимого для приложения, сказал Лазло Балог, ведущий специалист по системному проектированию, высоковольтное питание, Texas Instruments Inc.

Например, неизолированный драйвер, для которого может потребоваться много дополнительных схем, хорош для более простых приложений, где не все должно быть интегрировано в драйвер, сказал он.

По его словам, существуют также изолированные драйверы, которые могут справиться с проблемами отрицательного смещения и изоляции, но при этом будут нуждаться в каком-то мониторинге в системе, вплоть до устройств, которые предлагают дополнительную интеграцию, такую ​​как схемы мониторинга и защиты, а также функциональную безопасность для автомобильных приложений.

«Контрольный список для правильного развертывания SiC - это посмотреть на топологию и какие устройства вы должны управлять, затем выбрать драйвер затвора, оптимизировать смещение, выяснить, какой тип защиты требуется, а затем оптимизировать компоновку», - сказал Балог.

С точки зрения драйвера, он имеет правильное смещение, поэтому правильное напряжение, нужны ли вам изолированные или неизолированные драйверы затвора, какая защита требуется, что связано с уровнем интеграции [для защиты и безопасности] или как Он добавил, что требуется много дополнительных схем.

Одна из вещей, которая немного мешает SiC, - это осознание того, что из-за более высокой скорости переключения он должен быть помещен в корпус, где исключена индуктивность источника, что обычно делается с подключением источника Кельвина, сказал Балог. . «Индуктивность источника может быть неприятной и вызывать много звонов и дополнительных потерь мощности, поскольку замедляет переключение».

«Здесь инженер-компоновщик становится вашим лучшим другом, потому что вам действительно нужно внимательно изучить компоновку, чтобы уменьшить звенящий сигнал и оптимизировать его для высокоскоростной коммутации», - сказал Балог. Он добавил, что это включает в себя минимизацию индуктивностей дорожек и отделение петли затвора от силовой петли, а также надлежащий обход [переключаемого пути тока и широкой полосы частот] путем выбора правильных компонентов, добавил он.

По словам Балога, что действительно важно, так это подключение драйвера к коммутатору. По его словам, вы должны подключить заземление драйвера непосредственно к источнику выключателя питания из-за паразитных индуктивностей, которые могут увеличить коммутационные потери.

Texas Instruments предлагает ряд эталонных плат / дизайнов, которые приближают клиентов к их требованиям к производительности. Всегда есть небольшие компромиссы, и TI может помочь им оптимизировать свои проекты с учетом их потребностей, например, если им нужна максимальная эффективность при полной нагрузке, - сказал Балог. Его совет: прочтите примечания по применению и свяжитесь с инженерами по применению, если у вас есть какие-либо проблемы с управлением WBG.

TI предлагает ряд драйверов затворов Si и IGBT, включая UCC21710, UCC21732 и UCC21750. Это изолированные драйверы затвора со встроенными функциями защиты и датчиков. Устройства обеспечивают быстрое время обнаружения для защиты от перегрузок по току, обеспечивая при этом безопасное отключение системы.

Младен Иванкович, региональный инженер по приложениям Infineon Technologies, сказал при выборе SiC МОП-транзистор Первый важный вопрос, который следует задать, — «нужно ли мне однополярное или биполярное управление» для этого компонента.

На рынке есть быстрые и надежные драйверы, которые могут управлять как Si, так и SiC, но при переходе с Si на SiC людям следует быть осторожными, так это то, как вы им управляете, потому что кремний приводится в действие с типичным напряжением 12 вольт, сказал Иванкович. . «Вы используете 12 В для включения и 0 В для выключения, поэтому нормальный диапазон напряжения для драйвера, управляющего кремниевыми компонентами или полевыми МОП-транзисторами с суперпереходом, составляет от 0 до 12 В, и это по всем параметрам от любого поставщика кремниевых компонентов, добавил он.

С другой стороны, устройства SiC от разных производителей будут иметь разное напряжение включения / включения. Например, на рынке есть SiC MOSFET, которым требуется +15 В для включения и -4 В для выключения, или +20 В для включения и -2 или -5 В для выключения, Иванкович сказал. «Для этого требуется драйвер, который позволяет использовать как положительное, так и отрицательное напряжение».

Но с Infineon SiC вам понадобится только более широкий диапазон напряжений, сказал он. «Таким образом, вместо 0–12 В вам нужно будет управлять им от 0 до 18 В, и вы можете использовать тот же драйвер, который используется для Si или SiC».

Таким образом, вы должны быть осторожны с тем, нужен ли вам однополярный драйвер затвора или вам нужны как положительный, так и отрицательный, чтобы правильно управлять компонентом, - сказал Иванкович.

Компания Infineon недавно представила усовершенствованные аналоговые (3ED1xx) и цифровые (34ED1xx) драйверы затвора EiceDRIVER X38 для ряда промышленных приложений. Оба семейства предназначены для IGBT, а также Si и SiC MOSFET в дискретных и модульных корпусах. 1ED34xx предлагает регулируемое время фильтра десатурации и плавный ток выключения с помощью внешних резисторов, а 1ED38xx обеспечивает конфигурируемость I2C для нескольких параметров, включая регулируемые функции управления и защиты, такие как защита от короткого замыкания, плавное отключение, блокировка пониженного напряжения, зажим Миллера. , отключение при перегреве и двухуровневое отключение (TLTO).

По словам Эрика Бенедикта, старшего инженера по приложениям в ADI, еще одно соображение, связанное с драйвером затвора, - это возможности пикового тока. «Так почему же это важная особенность управления переключателями? В большинстве случаев это сводится к эффективности в виде снижения коммутационных потерь. Чтобы завершить переключение, ворота должны доставить на ворота достаточно заряда, чтобы переключатель был полностью включен. Ускорение переключения означает более быструю доставку этого заряда, а поскольку ток зависит от заряда во времени, более быстрое переключение означает больший ток управления затвором. Таким образом, пиковый ток возбуждения будет определяться напряжением питания затвора в общем сопротивлении контура затвора ».

Предостережение Бенедикта при просмотре технических данных заключается в том, что производители сообщают выходные токи своих драйверов затворов, основанные на различных условиях испытаний. «Некоторые указывают токи, которые извлекаются во время импульса очень короткого замыкания, когда вы замыкаете выход, в то время как другие используют токи, которые измеряются, когда у вас есть какое-то реалистичное сопротивление затвора, которое присутствует, поэтому вам нужно быть осторожным при сравнении характеристик различных устройств. . »

Некоторые из ключевых моментов, затронутых в учебном сеансе, включают важность выбора драйвера затвора, который имеет достаточную мощность привода, чтобы использовать частоты переключения для снижения потерь, обеспечивая надлежащую невосприимчивость к синфазным переходным процессам, уделяя особое внимание компоновке, чтобы он настроен для SiC, например, для минимизации паразитных воздействий и понимания того, что защита от рассыщения или короткого замыкания отличается от IGBT.

Настраиваемые драйверы цифровых ворот

Многие ведущие производители интегральных схем питания разработали уникальные технологии и решения для драйверов затворов из SiC, чтобы устранить некоторые побочные эффекты, а также максимально использовать преимущества перехода на технологию WBG.

Microchip, например, использует цифровой подход в своих драйверах AgileSwitch, которые включают уникальную технику, называемую «расширенное переключение». Ключевым элементом этой техники является настраиваемое включение / выключение, предлагающее серию шагов, которые контролируют уровни напряжения и время на этих уровнях напряжения. Это позволяет разработчикам настраивать профили включения / выключения в цифровом виде с помощью программного обеспечения, устраняя необходимость вносить изменения в оборудование. Этот метод также включает дополнительные уровни обнаружения неисправностей и реакции на короткое замыкание.

Microchip заявляет о значительных улучшениях: снижение коммутационных потерь до 50 процентов и снижение выбросов напряжения на 80 процентов.

«Традиционный аналоговый подход, безусловно, подходит для кремниевых переключателей, где многие из этих вторичных эффектов не были проблемой при управлении медленным IGBT, но карбид кремния - совершенно другое животное», - сказал Вебер.

По словам Вебера, одним из ключевых элементов технологии управления цифровым затвором является очень быстрая защита от короткого замыкания с последующим безопасным реагированием на него.

Microchip недавно представила свой драйвер цифрового затвора поколения 2, который добавил новые уровни контроля над устройствами первого поколения. Настраиваемые драйверы затвора можно использовать с SiC MOSFET любого поставщика.

Различия в полевых МОП-транзисторах связаны с напряжениями включения и выключения, поэтому возможность программирования уровней напряжения +/-, даже когда компания к компании может иметь разные положительные и отрицательные напряжения, все они настраиваются через - водитель ворот, - сказал Вебер.

Вебер сказал, что заказчики смогли сократить свои циклы разработки и время разработки до шести месяцев. «Идея о том, что вы можете использовать программное обеспечение, чтобы делать то, что вы делали с паяльником или повторным вращением платы, - это другое мышление. Но вы знаете, что клиенты, которые начали его внедрять, считают, что это меняет правила игры ».

Он также отметил, что это дает клиентам большую гибкость, особенно во время проблем с цепочкой поставок. «Компании смогут переходить от одного поставщика к другому при наличии поставок».

Microchip реализует ИС цифрового драйвера затвора ASD2 в серии продуктов для плат драйверов затвора, которые называются ядрами драйверов затворов - полумостовыми устройствами с источниками питания драйверов затворов с микропроцессором и некоторым уровнем конфигурируемости и управления. Компания также поддерживает отраслевую совместимость с линейкой адаптерных плат или дочерних плат, что позволяет использовать различные стандартные типы модулей, предлагаемые как Microchip, так и конкурентами.

Драйвер цифрового затвора также позволяет разработчикам оптимизировать полевой МОП-транзистор для современных приложений вместо оптимизации в течение пяти или 10 лет с учетом ухудшения характеристик коммутатора с течением времени или использования.

«С нашими драйверами одна из вещей, на которую смотрят и заинтересованы клиенты, - это возможность оптимизации для MOSFET сегодня с идеей, что со временем, если MOSFET действительно ухудшится, они могут изменить настройки для оптимизации для MOSFET. Таким образом, они получают большую эффективность от системы сегодня и не отказываются от этой эффективности, проектируя наихудший случай в будущем », - сказал Вебер.

Это можно сделать в аналоговом решении, и всегда есть несколько способов добиться этого, но каковы затраты, компромиссы и время, потраченное на разработку решения, добавил он.

Использование стандартных драйверов

Поставщики согласны с тем, что можно использовать стандартные драйверы для управления устройствами SiC, но они должны решить величину компромисса, и что компромисс обычно влечет за собой дополнительные схемы или более крупные внешние устройства. Например, один из способов уменьшить звон и перенапряжение при использовании стандартного драйвера - это увеличить размер затвора. резистор.

Балог отметил другие проблемы, которые необходимо учитывать, такие как функции защиты, блокировка при пониженном напряжении, работа на более высоких частотах, более быстрое переключение и горячие точки на кристалле, которые могут повлиять на потери мощности, электромагнитные помехи и размер.

Кроме того, дополнительная схема обычно занимает гораздо больше места, чем интегрированное решение и выделенный SiC, поэтому есть много недостатков, и по этой причине в более дорогих конструкциях выбирается специальный драйвер ядра SiC, который учитывает такие вещи, как более быстрое переключение , сказал он.

«Вы всегда можете использовать стандартный драйвер затвора, но вы должны дополнить его дополнительными схемами, и обычно это компромисс», - сказал Балог.

По словам Балога, в качестве примера для небольшой конструкции с высокой плотностью мощности можно использовать стандартный неизолированный драйвер затвора в корпусе SOT23. По его словам, неизолированные драйверы не применимы напрямую, но это можно сделать, и многие люди идут по этому пути.

об Analog DevicesInc.Infineon TechnologiesMicrochip TechnologyTexas Instruments