SiC MOSFET'iniz için doğru kapı sürücüsünü nasıl seçersiniz?

Silisyum karbür (SiC) mosfetler iktidarda önemli ilerlemeler kaydettik Yarıiletken Silikon bazlı anahtarlara göre bir dizi avantaj sayesinde endüstri. Bunlar arasında daha hızlı anahtarlama, daha yüksek verimlilik, daha yüksek Voltaj çalışma ve daha yüksek sıcaklıklar, daha küçük ve daha hafif tasarımlarla sonuçlanır. Bu onların çeşitli otomotiv ve endüstriyel uygulamalarda kendilerine yer bulmalarına yardımcı oldu. Ancak SiC gibi geniş bant aralıklı (WBG) cihazlar, elektromanyetik girişim (EMI), aşırı ısınma ve aşırı gerilim koşulları da dahil olmak üzere, doğru geçit sürücüsünün seçilmesiyle çözülebilecek tasarım zorluklarını da beraberinde getirir.

Kapı sürücüleri güç cihazını sürmek için kullanıldığından, güç bulmacasının kritik bir parçasıdır. SiC kullanarak optimize edilmiş bir tasarım sağlamanın bir yolu, öncelikle kapı sürücüsü seçiminizi dikkatlice düşünmeyi içerir. Aynı zamanda, tasarımınızın temel gereksinimlerine (verimlilik, yoğunluk ve tabii ki maliyet) yakından bakmayı gerektirir çünkü uygulama gereksinimlerine bağlı olarak her zaman ödünleşimler vardır.

SiC'nin doğal faydalarına rağmen fiyatlandırma hala benimsenmenin önünde bir engeldir. Parça karşılaştırması temelinde SiC ve silikona bakarsanız, tasarımcılar güce göre toplam çözüm maliyetine bakmadıkça, bu daha pahalı olacak ve gerekçelendirilmesi zor olacaktır. IC üreticileri.

Öyleyse ilk önce SiC'nin silikon MOSFET'lere karşı uygulamalarını, faydalarını ve takaslarını ele alalım veya IGBTS. SiC FET'ler daha düşük direnç (daha yüksek arıza voltajı sayesinde), daha hızlı anahtarlama için yüksek doyma hızı ve 3 kat daha yüksek bant aralığı enerjisi sunar; bu da gelişmiş soğutma için daha yüksek bir bağlantı sıcaklığı ve 3 kat daha yüksek termal iletkenlik sağlar. daha yüksek güç yoğunluğu anlamına gelir.

Düşük voltajlı Si MOSFET'lerin ve GaN'nin <700-V aralığında ve üzerinde oynadığına dair endüstri anlaşması var; bu, SiC'nin düşük güç aralığında biraz örtüşmeyle devreye girdiği yerdir.

SiC çoğunlukla 600 V ve 3.3 kW üzerindeki silikon IGBT tipi uygulamaların yerini alıyor ve hatta yaklaşık 11 kW'ta bu durum SiC için gerçekten daha uygun bir noktadır, bu da yüksek voltajda çalışma, düşük anahtarlama kayıpları ve daha yüksek anahtarlama anlamına gelir. Anahtarlama frekansı güç aşaması, Dijital Kapı Sürücüsü (AgileSwitch), Ayrık ve Güç Yönetimi, Microchip Ürün Grubu Direktörü Rob Weber, şunları söyledi: Teknoloji.

Bu, daha küçük filtrelerin ve pasiflerin kullanılmasına olanak tanıyor ve soğutma ihtiyaçlarını azaltıyor, dedi. “IGBT'lere karşı sistem düzeyindeki faydalardan bahsediyoruz; bu da sonuçta boyut, maliyet ve ağırlıkta azalma anlamına geliyor.

"Kayıp perspektifinden bakıldığında, örneğin 70 kHz anahtarlama frekansında kayıpları yüzde 30'e kadar azaltabilirsiniz ve bu, silisyum karbürün kırılma alanı, elektron doygunluğu açısından bazı farklı özelliklerinin bir sonucudur. hız, bant aralığı enerjisi ve termal iletkenlik, "dedi Weber.

Weber, mühendislerin baktığı kriterin verimlilik olduğunu ve bunun da iyileşme düzeyleriyle sonuçlandığını, ancak SiC'de giderek daha fazla meydana gelen diğer şeyin IGBT'lere göre sistem düzeyindeki faydalar olduğunu söyledi.

“Silisyum karbür ile daha yüksek bir anahtarlama frekansında çalışabilirsiniz; bu da, örneğin büyük, ağır manyetik cihazlar olan filtreler gibi yakın güç aşamasını çevreleyen daha küçük harici bileşenlere sahip olmanızı sağlar; daha düşük anahtarlama kayıpları nedeniyle daha yüksek sıcaklıklarda çalışın veya daha soğuk çalıştırın; sıvı soğutmalı sistemi hava soğutmalı bir sistemle değiştirin ve ısı emicinin boyutunu küçültün" diye açıkladı.

Bileşenin boyut ve ağırlığındaki bu azalmanın, daha düşük maliyete dönüşmesinin, SiC'nin daha iyi verimlilik elde etmenin çok ötesine geçtiği anlamına geldiğini söyledi.

Ancak parça parça fiyat karşılaştırmasında SiC hala geleneksel silikon bazlı IGBT'lerden daha pahalıdır. “SiC modül Her üreticiden daha pahalıya mal olacak ama toplam sisteme baktığınızda SiC sistem maliyetleri daha düşük” dedi Weber.

Weber tarafından paylaşılan bir örnekte, bir müşteri SiC kullanarak sistem maliyetlerinde yüzde altılık bir azalma elde etmeyi başardı. mosfet.

Tasarımcı SiC'ye geçme kararını verdikten sonra, aynı zamanda ödünleşimlere de bakmalıdır. Güç yarıiletken üreticiler gürültü, EMI ve aşırı gerilim gibi ele alınması gereken "ikincil etkiler" olduğu konusunda hemfikirdir.

Weber, "Bu cihazları daha hızlı değiştirdiğinizde potansiyel olarak daha fazla gürültü yaratırsınız ve bu da EMI'ye dönüşür" dedi. "Ayrıca, SiC yüksek voltajda mükemmel olsa da kısa devrelerde IGBT'lerden çok daha az dayanıklıdır.devre Koşullar ve voltajınızda değişkenlik oluyor, dolayısıyla aşırı voltaj koşulları elde ediyorsunuz, bu da bazı tasarımcıların daha yüksek voltaj dereceli SiC cihazları kullanmasına neden oluyor, böylece aşırı voltajı ve aşırı ısınmayı daha iyi kontrol edebiliyorlar."

Kapı sürücüsünün seçiminin büyük rol oynadığı nokta burasıdır. SiC'nin besleme voltajı, hızlı kısa devre koruması ve yüksek dv/dt bağışıklığı gibi özellikler açısından benzersiz gereksinimleri vardır.

SiC geçit sürücüsünün seçilmesi

SiC anahtarlar için doğru geçit sürücüsünün seçilmesi söz konusu olduğunda, silikon bazlı cihazlara kıyasla güç çözümü hakkında yeni bir düşünce yapısı gerektirir. Bakılması gereken temel alanlar topoloji, voltaj, öngerilim ve izleme ve koruma özelliklerini içerir.

Weber, kapı sürücüsünün seçiminin hayati önem taşıdığını ve tarihsel olarak kapı sürücüsünü seçerken sıralı bir yaklaşım kullanmanın sorun olmadığını söyledi. "SiC'den önce ilk olarak IGBT'yi, ardından geçit sürücüsünü, ardından baraları ve kondansatörvb." dedi Weber. “Tamamen değişti. IGBT'lerde sahip olduğunuz bu sıralı yaklaşım yerine, oluşturduğunuz bütünsel çözüme ve her adımda bu ödünleşimlere bakmalısınız. Birçok müşteri için bir eğitim oldu.”

Ek olarak, SiC için özellikler ve entegrasyon (ve fiyat) açısından basitten daha karmaşık tasarımlara kadar değişen çeşitli kapı sürücüleri vardır.

Örnek olarak, Analog Devices Inc. (ADI), kapı sürücülerini sınıfa göre düzenler - temel işlevler, aşırı akım koruması ve arıza tespiti gibi koruma özellikleriyle "koruma" ve tam programlanabilir yapılandırılabilirlik. ADI'nin izole kapı sürücüleri, şirkete göre, ortak mod geçici bağışıklık (CMTI) performansından ödün vermeden ultra düşük yayılma gecikmesi sağlayan, yüksek hızlı CMOS ve monolitik transformatör teknolojisi ile birleştirilmiş şirketin iCoupler izolasyon teknolojisine dayanıyor. ADI ayrıca ürün tasarımı için iyi bir başlangıç ​​noktası sağlayan bir değerlendirme kurulları ve referans tasarımları portföyü sunmaktadır.

Texas Instruments Inc.'in yüksek gerilim gücü sistem mühendisliği lideri Lazlo Balogh, topoloji, güç seviyesi, koruma ve işlevsel güvenlik gereksinimleri ile kullanımdaki SiC cihazının üretiminin, uygulama için ihtiyaç duyulan sürücü türünü belirleyeceğini söyledi.

Örneğin, çok fazla ekstra devre gerektirebilecek yalıtılmamış bir sürücünün, her şeyin sürücüye entegre edilmesinin gerekmediği daha basit uygulamalar için iyi olduğunu söyledi.

Ayrıca, negatif öngerilim ve izolasyon sorunlarıyla başa çıkabilen ancak otomotiv uygulamaları için izleme ve koruma devresi ve işlevsel güvenlik gibi daha fazla entegrasyon sunan cihazlara kadar sistemde bir tür izlemeye ihtiyaç duyacak izole edilmiş sürücüler de bulunduğunu ekledi.

"SiC'yi doğru şekilde dağıtmaya yönelik kontrol listesi, topolojiye ve ne tür cihazları kullanmanız gerektiğine bakmak, ardından geçit sürücüsünü seçmek, önyargıyı optimize etmek, ne tür bir korumanın gerekli olduğunu bulmak ve ardından düzeni optimize etmektir." dedi Balogh.

Sürücü açısından bakıldığında, doğru önyargıya, dolayısıyla doğru voltaj kapasitesine sahip olmak, ister izole edilmiş ister izolasyonsuz kapı sürücülerine ihtiyacınız olsun, ne kadar korumaya ihtiyaç duyulduğu, entegrasyon seviyesine (koruma ve güvenlik için) bağlanan veya bunun nasıl yapılacağıdır. çok fazla ekstra devreye ihtiyaç olduğunu ekledi.

Balogh, SiC'yi biraz engelleyen şeylerden birinin, daha yüksek anahtarlama hızı nedeniyle kaynak endüktansının ortadan kaldırıldığı bir pakete konulması gerektiğinin farkına varılması olduğunu ve bunun genellikle Kelvin kaynak bağlantısıyla yapıldığını söyledi. . "Kaynak endüktansı kötü olabilir ve anahtarlama işlemini yavaşlattığı için çok fazla çınlamaya ve ek güç kayıplarına neden olabilir."

Balogh, "Burası düzen mühendisinin en iyi arkadaşınız haline geldiği yerdir çünkü çınlamayı azaltmak ve onu yüksek hızlı geçiş için optimize etmek için gerçekten düzene bakmanız gerekir" dedi. Bunun, iz endüktanslarını en aza indirmeyi ve geçit döngüsünü güç döngüsünden ayırmayı ve doğru bileşenleri seçerek [anahtarlanmış akım yolunun ve geniş frekans bandının] uygun şekilde bypass edilmesini içerdiğini ekledi.

Balogh, asıl kritik olanın sürücüyü anahtara bağlamak olduğunu söyledi. Anahtarlama kayıplarını artırabilecek başıboş endüktanslar nedeniyle sürücünün topraklamasını doğrudan güç anahtarının kaynağına bağlamanız gerektiğini söyledi.

Texas Instruments, müşterilerin performans gereksinimlerine yaklaşmasını sağlayan bir dizi referans kart/tasarım sunmaktadır. Balogh, her zaman küçük ödünleşimlerin bulunduğunu ve TI'ın, örneğin tam yükte en yüksek verimliliğe ihtiyaç duyup duymadıkları gibi ihtiyaçlarına göre tasarımlarını optimize etmelerine yardımcı olabileceğini söyledi. Tavsiyesi: Uygulama notlarını okuyun ve WBG'yi kullanmayla ilgili herhangi bir endişeniz varsa uygulama mühendisleriyle iletişime geçin.

TI, UCC21710, UCC21732 ve UCC21750 dahil olmak üzere bir dizi Si ve IGBT kapı sürücüsü sunar. Bunlar, entegre koruma ve algılama özelliklerine sahip izole edilmiş kapı sürücüleridir. Cihazlar, sistemin güvenli bir şekilde kapatılmasını sağlarken aşırı akım olaylarına karşı koruma sağlamak için hızlı algılama süresi sağlar.

Infineon Technologies bölgesel uygulama mühendisi Mladen Ivankovic, SiC seçerken şunları söyledi: MOSFET Sorulması gereken ilk kritik soru, bu bileşen için 'tek kutuplu sürüşe mi yoksa çift kutuplu sürüşe mi ihtiyacım var?'dır.

Piyasada hem Si'yi hem de SiC'yi çalıştırabilen hızlı ve sağlam sürücüler var ancak Ivankovic, Si'den SiC'ye geçerken insanların dikkatli olması gereken şeyin, silikonun tipik olarak 12 volt voltajla çalıştırılması nedeniyle onu nasıl sürdüğünüz olduğunu söyledi. . “Açmak için 12 V, kapatmak için de 0 V kullanıyorsunuz, bu nedenle silikon bileşenleri veya süper bağlantı MOSFETS'lerini çalıştıran sürücü için normal voltaj aralığı 0 ila 12 volttur ve bu, herhangi bir silikon bileşen tedarikçisinden gelen genel durumdur. ekledi.

Öte yandan, farklı satıcıların SiC cihazları farklı açılma/açılma voltajlarına sahip olacaktır. Piyasada örneğin açmak için +15 V ve kapatmak için -4 V veya açmak için +20 V ve kapatmak için -2 veya -5 V gerektiren SiC MOSFET'ler var, Ivankovic söz konusu. "Bu, pozitif ve negatif voltajların kullanımına olanak tanıyan bir sürücü gerektiriyor."

Ancak Infineon SiC ile yalnızca daha geniş bir voltaj aralığına ihtiyacınız olacağını söyledi. "Yani 0 - 12 V yerine, onu 0 - 18 V ile sürmeniz gerekecek ve Si veya SiC için kullanılan sürücünün aynısını kullanabilirsiniz."

Ivankoviç, bu nedenle, tek kutuplu bir kapı sürücüsüne mi yoksa bileşeni düzgün bir şekilde çalıştırmak için hem pozitif hem de negatife mi ihtiyacınız olduğu konusunda dikkatli olmanız gerektiğini söyledi.

Infineon yakın zamanda bir dizi endüstriyel uygulama için EiceDRIVER X3 Geliştirilmiş analog (1ED34xx) ve dijital (1ED38xx) kapı sürücüsü IC'lerini piyasaya sürdü. Her iki aile de IGBT'lerin yanı sıra Si ve SiC MOSFET'ler için ayrık ve modül paketlerinde tasarlanmıştır. 1ED34xx, ayarlanabilir bir desatürasyon filtre süresi ve harici dirençlerle yumuşak kapatma akımı sunar ve 1ED38xx, kısa devre koruması, yumuşak kapatma, düşük voltaj kilitleme, Miller kelepçesi gibi ayarlanabilir kontrol ve koruma fonksiyonları dahil olmak üzere birden fazla parametre için I2C yapılandırılabilirliği sağlar , aşırı sıcaklıkta kapatma ve iki seviyeli kapatma (TLTO).

ADI'de kıdemli uygulama mühendisi olan Eric Benedict'e göre, Wolfspeed ile bir eğitim oturumu web seminerinde ele aldığı, kapı sürücüsü açısından dikkate alınması gereken bir diğer konu da en yüksek akım kapasitesi yetenekleridir. “Peki bu neden anahtarları yönlendirmede önemli bir özellik? Çoğu durumda bu, anahtarlama kayıplarının azalması şeklinde verimliliğe inecektir. Anahtarlama geçişini tamamlamak için, anahtarın tamamen açık olması için kapının kapılara yeterli şarjı iletmesi gerekir. Anahtarlamanın hızlandırılması, bu yükün daha hızlı iletilmesi anlamına gelir ve akım, zamana karşı yük olduğundan, daha hızlı anahtarlama, daha fazla kapı tahrik akımı anlamına gelir. Böylece tepe sürücü akımı, kapı döngüsündeki toplam dirençteki kapı besleme voltajı tarafından belirlenecektir.

Benedict'in veri sayfalarına bakarken yaptığı uyarı, üreticilerin kapı sürücüsü çıkış akımlarını farklı test koşullarına göre raporlamalarıdır. "Bazıları, çıkışı kısa devre yaptığınız çok kısa devre darbesi sırasında alınan akımları belirtirken, diğerleri mevcut bazı gerçekçi kapı direncine sahip olduğunuzda ölçülen akımları kullanır, bu nedenle farklı cihazların özelliklerini karşılaştırırken dikkatli olmanız gerekir. .”

Eğitim oturumunda ele alınan kilit noktalardan bazıları, kayıpları azaltmak için anahtarlama frekanslarından yararlanacak yeterli sürücü kapasitesine sahip bir kapı sürücüsünün seçilmesinin önemini, ortak mod geçişlerine karşı uygun bağışıklık sağlamayı, böylece düzene odaklanmayı içermektedir. parazitleri en aza indirmek ve desatürasyon veya kısa devre korumasının IGBT'den farklı olduğunu anlamak gibi SiC için ayarlanmıştır.

Yapılandırılabilir dijital kapı sürücüleri

Önde gelen güç IC üreticilerinin çoğu, ikincil etkilerin bazılarını ele almanın yanı sıra WBG teknolojisine geçiş yapmanın faydalarını en üst düzeye çıkarmak için benzersiz SiC geçit sürücüsü teknolojileri ve çözümleri geliştirmiştir.

Örneğin Microchip, AgileSwitch sürücüleri ile "Artırılmış Anahtarlama" adı verilen benzersiz bir teknik içeren dijital bir yaklaşım benimsiyor. Bu tekniğin önemli bir unsuru, voltaj seviyelerini ve bu voltaj seviyelerindeki zamanı kontrol eden bir dizi adım sunan, yapılandırılabilir açma/kapama özelliğidir. Bu, tasarımcıların açma/kapama profillerini yazılım aracılığıyla dijital olarak yapılandırmasına olanak tanır ve donanımda değişiklik yapma ihtiyacını ortadan kaldırır. Teknik aynı zamanda ek arıza izleme tespiti ve kısa devre tepkisi seviyelerini de içerir.

Microchip önemli gelişmeler olduğunu iddia ediyor: yüzde 50'ye kadar daha düşük anahtarlama kayıpları ve yüzde 80 daha düşük voltaj aşımı.

Weber, "Geleneksel analog yaklaşım, silikon anahtarlar için kesinlikle iyidir, burada bu ikincil etkilerin çoğu, yavaş bir IGBT'yi çalıştırmada sorun değildi, ancak silisyum karbür tamamen farklı bir hayvandır" dedi.

Weber, dijital kapı sürüş teknolojisinin temel unsurlarından birinin, kısa devre durumunu çok hızlı bir şekilde korumak ve ardından buna güvenli bir şekilde yanıt vermek olduğunu söyledi.

Microchip yakın zamanda birinci nesil cihazlara yeni kontrol seviyeleri ekleyen Nesil 2 dijital kapı sürücüsünü tanıttı. Yapılandırılabilir kapı sürücüleri herhangi bir tedarikçinin SiC MOSFET'leriyle kullanılabilir.

MOSFETS'teki farklılıklar açma ve kapama voltajlarıyla ilgilidir, dolayısıyla şirketten şirkete farklı pozitif ve negatif voltajlara sahip olsalar bile +/- voltaj seviyelerini programlayabilme yeteneği, bunların hepsi Kapı sürücüsü, dedi Weber.

Weber, müşterilerin geliştirme döngülerini ve geliştirme sürelerini altı aya kadar kısaltabildiklerini söyledi. “Lehimleme tabancasıyla veya tahtanın yeniden döndürülmesiyle yaptığınız şeyleri yazılımı kullanarak yapabileceğiniz fikri farklı bir zihniyet. Ancak bunu benimsemeye başlayan müşterilerin bunun oyunun kurallarını değiştireceğini düşündüklerini biliyorsunuz."

Ayrıca bunun, özellikle tedarik zincirinde yaşanan zorluklar sırasında müşterilere daha fazla esneklik sağladığını da belirtti. “Şirketler, tedarik mevcut oldukça tedarikçiler arasında geçiş yapabilecek.”

Microchip, ASD2 dijital kapı sürücüsü IC'sini, kapı sürücüsü çekirdekleri olarak adlandırılan bir dizi kapı sürücü kartı ürününde uygular - bir mikroişlemciye ve bir miktar yapılandırılabilirlik ve kontrole sahip güç kaynağı kapı sürücülerine sahip yarım köprü cihazları. Şirket ayrıca hem Microchip'in hem de rakiplerin sunduğu farklı endüstri standardı modül türlerinin kullanımına olanak tanıyan bir dizi adaptör kartı veya ek kartla endüstri çapında uyumluluğu da destekliyor.

Dijital kapı sürücüsü ayrıca tasarımcıların, zaman veya kullanımdaki anahtar bozulmasını hesaba katarak beş veya 10 yıllık optimizasyon yapmak yerine MOSFET'i günümüz uygulaması için optimize etmelerine olanak tanır.

"Sürücülerimizle birlikte müşterilerimizin baktığı ve ilgi duyduğu şeylerden biri, MOSFET'in zamanla bozulması durumunda MOSFET çevresinde optimizasyon sağlayacak şekilde ayarları değiştirebilecekleri fikriyle bugün MOSFET'i optimize etme yeteneğidir. Bu sayede bugün sistemden daha fazla verim alıyorlar ve gelecekteki en kötü durumu düşünerek bu verimlilikten vazgeçmiyorlar” dedi Weber.

Bu, analog bir çözümle yapılabilir ve bu noktaya ulaşmanın her zaman birden fazla yolu vardır, ancak çözümü geliştirmek için maliyetler, ödünler ve harcanan zaman nelerdir, diye ekledi.

Standart sürücüleri kullanma

Tedarikçiler, SiC cihazlarını kontrol etmek için standart sürücüleri kullanmanın mümkün olduğu konusunda hemfikirdir ancak bu ödünleşimin büyüklüğüne ve bu ödünleşimin genellikle ekstra devre veya daha büyük harici aygıtlar gerektirdiğine karar vermeleri gerekir. Örnek olarak, standart bir sürücü kullanırken çınlamayı ve aşırı voltajı azaltmanın bir yolu, kapının boyutunu arttırmaktır. rezistans.

Balogh, koruma fonksiyonları, düşük voltaj kilitleme, daha yüksek frekansta çalışma, daha hızlı anahtarlama ve kalıp üzerindeki sıcak noktalar gibi, hepsinin güç kayıpları, EMI ve boyut üzerinde etkisi olabilecek, dikkate alınması gereken diğer konulara dikkat çekti.

Buna ek olarak, ekstra devre genellikle entegre bir çözümden ve özel SiC'den çok daha fazla yer kaplar, bu nedenle birçok olumsuzluk vardır ve bu nedenle üst düzey tasarımlar, daha hızlı anahtarlama gibi şeyleri hesaba katan özel bir SiC çekirdek sürücüsünü tercih eder. , aşırı gerilim koşulları ve gürültü ve EMI ile ilgili sorunlar olduğunu söyledi.

Balogh, "Her zaman standart bir kapı sürücüsü kullanabilirsiniz, ancak bunu ek devrelerle tamamlamanız gerekir ve genellikle bu bir ödündür" dedi.

Balogh, örnek olarak, küçük, yüksek güç yoğunluklu bir tasarım için SOT23 paketindeki standart yalıtılmamış bir kapı sürücüsünün kullanılabileceğini söyledi. Yalıtılmamış sürücüler doğrudan uygulanamaz ancak yapılabilir ve birçok insan bu yolu tercih eder, dedi.

Analog DevicesInc.Infineon TechnologiesMicrochip TechnologyTexas Instruments hakkında