Silisyum karbürün benimsenmesi, kalite ve performanstaki sağlam teknolojik ilerlemeler sayesinde son yıllarda önemli ölçüde hızlandı. bileşenler, bunların kullanılabilirliği ve bu performanstan yararlanan uygulamaların ortaya çıkışı. UnitedSiC, tescilli SiC JFET'imizin mükemmel özellikleri ve yüksek verimleri üzerine inşa edilmiş, 650V-1200V aralığında [1] en düşük Rds(on) güç bileşenlerini sunmak için sürekli bir teknolojik yenilik stratejisi izlemiştir. teknoloji.
Gen 4 (G4) UJ4C SiC FET serisinin yakın zamanda piyasaya sürülmesiyle, kullanıcılara bir sonraki seviyede bilgi sağlamayı amaçlayan cihaz özelliklerinde büyük bir iyileştirme ile güç dönüşümü ve invertör uygulamalarında SiC kullanımının genişletilmesinde bir sonraki bölümü açıyoruz. performans ve sistem maliyeti avantajları.
Mevcut Teknolojilerin Karşılaştırmalı Özellikleri
UnitedSiC'nin ilk UJ4C ürünleri (bkz. Tablo 1), geleneksel 750/650V veri yolu uygulamalarına hizmet ederken, 500V DC Bara kullanan uygulamaları ele almak için 300V yerine 400V VDS(MAX) değerini hedefliyor. Cihazlar, SiC FET'in kademeli mimarisinin tüm özellikleri olan +/-20V kapı değerini, yerleşik ESD korumasını ve 5V VTH tarafından etkinleştirilen basit tek kutuplu kapı sürücülerini kullanma yeteneğini korur. Yüksek frekanslı uygulamalarda, iletim kaybı üzerinde minimum etkiyle 0 ila 10V kadar düşük kapı sürücüleri kullanılabilir. Bunun ultra düşük özgül direnci teknoloji (SiC JFET 0.7mohm-cm2), belirli bir paket boyutunda 650V SiC MOSFET'lere göre direncin yaklaşık yarısına izin verir.
Belirli bir dirençte, cips küçülürler, bu da çok daha düşük kapasitanslara yol açar. Bu da anahtarlama kayıplarının azalmasına yol açar. TO247-3L ve 4L paketleri, daha küçük JFET kalıbının etkilerini azaltmak için talaş inceltmeyle birlikte termal direnci artırmak ve bağlantıdan kasaya mükemmel RTHJC termal direncinin elde edilmesine olanak sağlamak için Ag sinter teknolojisini kullanır. Cihazlar çığ olaylarını idare etme yeteneğini korur ve özellikle nominal akımın 2 katına kadar daha düşük enerjili, yüksek akımlı çığ olaylarını idare etmede iyidir. Düşük VFSD (<1.5V) ve düşük sıcaklıktan bağımsız QRR ile mükemmel üçüncü çeyrek davranışı, SiC FET'lerin başka bir özelliğidir ve G4 cihazları, COSS azalmasının etkisiyle önceki G3 muadillerine göre çok daha düşük QRR'ye sahiptir.
Tablo 2'de son teknoloji ürünü SiC için teknolojik parametreleri karşılaştırıyoruz. mosfetler, Superjuncton cihazları ve G4 SiC FET'ler. RDSA'yı gösteren satırlar, 2°C ve 25°C'de aktif çip alanının mohm-cm125 direncini gösterir. Bu, SiC FET kaskodunu oluşturmak için kullanılan JFET'in direncidir ve LVMOS'un ek direnci bu sayıya %10 ekleyebilir. G5 SiC FET'in 4V VTH'si, 0 ila 12V geçit sürücüsü ile birlikte benzersizdir ve geçit sürücüsü kaybı için mevcut en iyi Qg.V değerini sunar. Bu cihazların 500kHz-1MHz'de çalıştırılması, standart kapı sürücülerinin aşırı ısınmasına gerek kalmadan gerçekleştirilebilir.
Kaskod kas kütlesi inşasında ve tüm geniş bant aralığı seçenekleri arasında mevcut en düşük VFSD gövde diyot düşüşüne izin verir ve bu cihazların senkronize olmayan düzeltme modunda kullanılmasına olanak tanır. Ters kurtarma performansı QRR'nin de mükemmel olması nedeniyle, genel başarı oranı VF*QRR, G4 SiC FET'ler için eşsizdir. Bu, mükemmel sert anahtarlama performansına olanak tanır ve herhangi bir yük koşulunda sert anahtarlama meydana gelirse ZVS devrelerinde cihaz arızalarını önler. Net kaskod direncine dayanan RDS*EOSS ve RDS*COSS,TR değerlerinin değerleri, teknolojinin sert ve yumuşak anahtarlama uygulamalarına yönelik temel kapasitesini değerlendirmek için kullanılır ve sınıfının en iyisi olduğu görülebilir. Bu cihazlar LLC, CLLC, DAB ve PSFB gibi yüksek frekanslı yumuşak anahtarlamalı devrelerin daha basit bir şekilde uygulanmasına izin verebilir.
Tablo 1: İlk 4. Nesil SiC FET ürünlerinin temel parametreleri
Tablo 2: G4 750V SiC FET'ler için parametrelerin benzer 650V SiC MOSFET'ler ve 600V Süper Bağlantı hızlı diyot FET'ler ile karşılaştırılması
Dalga formlarının değiştirilmesi ve anahtarlama hızının yönetilmesi Şekil 1, TO60-18L paketindeki 750 mohm ve 247 mohm 4 V cihazların sırasıyla 400 V, 20 A ve 50 A'da ölçülen yarım köprü anahtarlama dalga formlarını göstermektedir. Dalga formları, açma ve kapatmayı kontrol etmek için büyük bir Rg ile kapıda düşük bir Rg ile cihaz boyunca bir RC bastırıcının kullanılmasıyla karşılaştırılarak gösterilmiştir. Her iki devre de DC baradan toprağa, bara susturucusu olarak adlandırılan bir RC söndürücü kullanır [2].
Şekil 1'in üst satırı 60m, 750V SiC FET UJ4C075018K4S'nin anahtarlama davranışını göstermektedir. Sadece bir Rg = 25ohm (171uJ) ile 1ohm'luk düşük bir Rg ve 10hm, 95pF drenaj kaynaklı RC susturucu (142uJ) kullanıldığında açılma kaybındaki fark küçüktür. Açma di/dt'si Rg=25ohm ile önemli ölçüde daha yavaştır, ancak tepe toparlanma akımı çok farklı değildir. Açma sırasındaki maksimum dV/dt, SiC JFET tarafından ayarlandığından ve LV'ye uygulanan Rg tarafından değiştirilmediğinden benzerdir. MOSFET SiC FET'te. Açma gecikmesi 25ohm Rg ile daha yüksektir.
20ohm Rgoff (37uJ) ile 1ohm Rgoff ve 10hm, 95pF drenaj kaynaklı RC susturucu (17uJ) kullanan vakalar için kapatma davranışı, bir söndürücü kullanıldığında daha düşük kayıpların elde edilebileceğini gösterir. kısa kapanma gecikmesini korur ve VDS aşımını biraz azaltır ve zil sesini azaltır. Gösterilen kayıplar arasında snubber da bulunmaktadır
Veri sayfasında ayrı olarak çıkarılan kayıp çok küçüktür [2, 3]. Bununla birlikte, 20A gibi daha düşük akımlarda, basit Rg kontrolüyle eklenen kayıplar aşırı olmadığından, birçok uygulamada susturucuya ihtiyaç duyulmaz. Bus susturucuların kullanılması hala tavsiye edilmektedir çünkü bu, minimum kayıp etkisiyle zil performansını artırır.
Ancak 50A'de, susturucu kullanan dalga biçimleri çok daha üstündür ve EON+EOFF toplam anahtarlama kaybında yaklaşık %36 oranında bir azalmaya olanak tanır. Düşük Rg kullanılarak gecikme süreleri de düşük tutulabilir. Şekil 1'deki alt eğrilerde, UJ50C400K4S (075018m, 4V) için 18A, 750V'deki anahtarlama verileri, 25ohm Rgon/50ohm Rgoff ile 1ohm, 10pF RC sönümleyiciye sahip Rg=300ohm kullanılan durumlar için karşılaştırılır. her cihazın drenaj kaynağı. 1ohm'luk düşük Rg, yalnızca aşmaları ve çınlamayı yönetmek için susturucunun yerinde olması durumunda kullanılabilir. Bu düzenleme, daha kısa açılma gecikme süresiyle çok daha hızlı bir di/dt'de anahtarlamaya olanak tanır. Açma kaybının (söndürme kaybı dahil) artık daha hızlı çalışan di/dt nedeniyle 418uJ'ye karşılık 483uJ olduğu görülüyor. Ancak bu daha hızlı di/dt'nin tepe toparlanma akımında önemli bir artış sağlamadığını unutmayın.
Benzer şekilde, Şekil 50'in sağ alt kısmındaki 400A, 1V kapatma dalga formları, Rg=1ohm artı RC sönümleyici durumuyla çok daha hızlı anahtarlamanın ve azaltılmış gecikme süresinin aşırı VDS aşımı veya faz düğümü çınlaması olmadan elde edildiğini gösterir. Kapanma gecikme süresi de çok kısa tutulur. RC snubber'lı Rg = 1ohm'lu EOFF'un, 55ohm'luk bir cihazda 255uJ ile karşılaştırıldığında sadece 50uJ olduğu göz önüne alındığında rezistans Gerilim aşımını karşılaştırılabilir bir seviyeye indirmek için kullanıldığında, >20A yüksek akım uygulamaları için susturucu kullanmanın çok avantajlı olduğu açıktır.
Snubber'ın kesin seçimi genel olarak uygulamaya bağlı olabilir devre endüktansları ve kapatma için tepe akım seviyelerini kontrol edin ve akımlar 25A'nın altındaysa gerekli olmayabilir. Snubber'daki kayıp rezistans en iyi şekilde açma ve kapatma sırasındaki V2/R kaybının entegre edilmesiyle doğrudan ölçülür. Bu değerler ürün veri sayfalarında [2] belirtilmiştir ve 1.7ohm, 20pF söndürücüye sahip UJ400C4K075060S için 4A'de 10uJ, 95V ve 9.5ohm, 50pF söndürücüye sahip UJ400C4K075018S için 4A'de 10uJ, 300V'dir.
Cihazın basitçe 0 ila 12V veya 15V geçit sürücüsü kullanması önerilir, ancak RG değerlerinde [4] uygun değişikliklerle -5V ila 15/18/20V ve diğer ortak geçit voltaj raylarının tümü kullanılabilir. 0kHz'in üzerine geçiş yaparken genellikle 10 ila 300V kullanılır. Şekil 2, TO18-750L ve TO60-750L paketini kullanan, 247-4V kapı sürücüsüne sahip, yalnızca bir veri yolu sönümleyici kullanan 247m, 3V cihaz ve 0m, 15V cihaz için yarım köprü anahtarlama dalga formlarını karşılaştırır. Üst
satır, her iki cihaz için aynı Rgon=60ohm, Rgoff=750ohm'u kullanan 1m, 20V cihaz için açma ve kapama dalga formlarını gösterir. Düz çizgiler 3L paketi içindir, kesikli çizgiler ise TO247-4L içindir.
TO247-4L için elbette daha hızlı açılma di/dt bekleniyor çünkü ortak kaynak endüktansı atlanıyor, bu da daha yüksek bir akım zirvesine rağmen daha düşük EON'a yol açıyor. Kapı VGS zil sesi, TO247-4L kullanılarak çok daha iyileştirildi. TO247-4L için VGS zil sesi de kapatmada daha iyidir, ancak burada tepe VDS aşımı 3L paketinde daha düşük ve daha yüksek bir EOFF ile birlikte daha düşüktür.
Şekil 2'nin alt yarısı, her biri 50ohm, 400pF sönümleyici, Rg=18ohm ve 750-10V kapı sürücüsüne sahip, yarım köprüde 300m, 1V cihazın 0A, 15V anahtarlaması için iki paket tipinin kullanımına bakar. Artık 3L ve 4L paket tipleri arasında dalga formları ve anahtarlama kayıpları açısından çok daha büyük bir fark var. 3L cihazları, benzer VDS aşımı ve dV/dts ile önemli ölçüde daha yüksek açma (1.67x) ve kapatma kaybına (4X) ve özellikle kapatma sırasında daha yüksek VGS ziline sahiptir. Açıkça, TO247 paketlerini daha yüksek akımlarda kullanmak için, 4L paketinin cihaz RC sönümleyicisi ile kombinasyonunun kullanılması, iyi yönetilen anahtarlama dalga formları ile en yüksek performansın elde edilmesini sağlar.
Uygulama Avantajlarına Genel Bakış
Artık G4 SiC FET'lerin bu özelliklerinin çeşitli cihaz uygulamalarını nasıl etkilediğine bakabiliriz. Şekil 3a, 60KW Totem Direği PFC'de 750m, 3.6V kullanmanın bir örneğini göstermektedir devre. Yarıiletken Grafikte gösterilen verimlilik, sıcaklık artışını hesaba katarak ancak kontrolör hariç, cihazların ölçülen iletim ve anahtarlama kayıplarından hesaplanır, indüktör veya diğer sistem kayıpları. Düşük iletim ve anahtarlama kayıpları, mükemmel diyot geri kazanımı ve basit kapı tahriki, burada görülen yüksek verime yol açar. Bu verimlilik, daha pahalı SiC'nin elde edebileceğini karşılıyor veya geçiyor mosfet daha karmaşık geçit sürücüleri gerektiren seçenekler. TO3 paketinin hem 4L hem de 247L versiyonları desteklenmektedir. Şekil 3b, verimliliği SiC FET yerine Si doğrultucu diyotla değiştirilen TPPFC'nin yavaş ayağıyla karşılaştıran aynı verileri göstermektedir.
Şekil 3: Yarıiletken Totem-Pole PFC'de çeşitli SiC FET'leri kullanarak verimlilik devre 65kHz'de yalnızca güç cihazındaki kayıpları hesaba katar. Soldaki çizimde hem hızlı anahtarlama hem de yavaş anahtarlama ayakları için SiC FET'ler kullanılırken, sağdaki çizimde hızlı bacakta (1x UF3C065030K3S) SiC FET'ler ve yavaş bacakta Si doğrultucu diyotlar kullanılarak yapılan fark karşılaştırılır. Si diyot seçeneği verimliliği yaklaşık %0.2 oranında azaltır. 1Ph 2P terimi 1 parçanın paralel olduğu 2 Faz'ı belirtir. UF3C cihazları G3 cihazlarıdır ve UJ4C G4 cihazlarına göre performansı göstermek için buraya dahil edilmiştir.
Tablo 3: Çeşitli frekanslarda G3600 SiC FET'leri kullanan 4W LLC devresindeki yarı iletken kayıpları. Her cihazın 6.27kHz'de bile <500W kayıpla katkıda bulunmasıyla çok yüksek verimlilikler mümkündür
maliyet etkindir, iki transistör ve geçit sürücüsünden tasarruf sağlar, ancak yüksek hatta verimlilikte %0.2'lik bir düşüş meydana gelir. 60KW uygulamalar için bir adet 1.5mohm FET yeterli olsa da, 18mohm'luk bir ünite veya 60m'lik paralel iki ünite 3 ila 3.6KW için en iyisidir. Tek 18mohm cihaz seçeneği daha düşük geçit sürücüsü gücü gerektirir ve daha az yer tüketir.
Tablo 3 benzer bir tahmindir Yarıiletken 60W LLC uygulamasında 18m ve 750m, 3600V SiC FET'leri kullanarak kayıplar. Maksimum yükte cihaz başına net kaybı tahmin etmek için iletim, geçit sürücüsü ve diyot kayıpları eklenir. 2 paralel 60 m SiC FET veya tek bir 18 m SiC FET kullanılarak, kayıplar 6.3 kHz'de bile FET başına 500 W'ın altında tutulabilir, bu da minimum ısı emici ihtiyaçla çok yüksek verimlilik sağlar. Kayıplara iletim kayıpları hakimken, kapatma, geçit sürücüsü ve diyot iletim kayıplarının göreceli katkıları da gösterilmiştir ve G4 SiC FET'in özellikleri kullanıldığında çok düşük olduğu görülmektedir.
UnitedSiC FET'lerin kullanımı, bu yumuşak anahtarlamalı uygulamalarda geçit sürücüsünü değiştirmeye fazla gerek kalmadan daha yüksek verimliliğe giden basit bir yol sağlar. Bu durumda, ZVS işlemi kaybolduğunda, cihazın zayıf diyot kurtarma işlemi olmadan sert anahtarlama yapabilme yeteneği, hiçbir arızanın oluşmamasını sağlar. Ek voltaj boşluğu, ihtiyaç duyulduğunda daha uzun saha ömrüne de yardımcı olur.
Özet
Bu yazıda UnitedSiC'in yeni G4 UJ4C 750V SiC FET'lerinin parametrelerini, 600/650V sınıfındaki SiC MOSFET'ler ve Superjunction FET'lerle karşılaştırarak inceledik. Daha sonra hem TO247-4L hem de TO247-3L paketlerindeki cihazların anahtarlama özelliklerini inceledik ve TO247-4L paketini kullanmanın faydalarını ve >25A akımlar için, kayıpları en aza indirirken anahtarlama dalga biçimlerini yönetmek için RC sönümleyicilerin değerini gösterdik. Hem Totem-Pole PFC'de hem de LLC örneğinde kayıpları çıkarmak için bilinen cihaz parametrelerini kullandık ve bu cihazların basit bir geçit sürücüsü uygulamasıyla 80Plus Titanyum verimliliğine nasıl yol açabileceğini gösterdik. Hem sert hem de yumuşak anahtarlamalı uygulamalardaki avantajlar, daha kolay geçit sürücüsü ve ekstra 100V marj ile birleştiğinde, bunu EV şarj cihazlarındaki 600-750V uygulama aralığını hedefleyen, hızla genişleyen SiC transistörler evrenine ilgi çekici yeni bir giriş haline getiriyor. DC-DC dönüştürücüler, Veri merkezleri, Telekom gücü, Yenilenebilir enerji ve Enerji depolama. UnitedSiC web sitesinde çok sayıda ek bilgi bulunabilir.