Việc áp dụng cacbua silic đã tăng tốc đáng kể trong những năm gần đây, nhờ vào tiến bộ công nghệ vững chắc về chất lượng và hiệu suất của các thành phần, tính khả dụng của chúng và sự xuất hiện của các ứng dụng được hưởng lợi từ hiệu suất đó. UnitedSiC đã theo đuổi chiến lược đổi mới công nghệ liên tục để cung cấp các thành phần nguồn có Rds(bật) thấp nhất trong phạm vi 650V-1200V [1], được xây dựng dựa trên các đặc tính tuyệt vời và năng suất cao của SiC JFET độc quyền của chúng tôi công nghệ.
Với sự ra mắt gần đây của dòng sản phẩm Gen 4 (G4) UJ4C SiC FET, chúng tôi mở ra chương tiếp theo trong việc mở rộng việc sử dụng SiC trong các ứng dụng biến tần và chuyển đổi nguồn với một cải tiến lớn về đặc tính của thiết bị, nhằm cung cấp cho người dùng cấp độ tiếp theo của lợi ích về hiệu suất và chi phí hệ thống.
Đặc điểm so sánh của các công nghệ có sẵn
Các sản phẩm UJ4C đầu tiên của UnitedSiC (xem Bảng 1) hướng tới định mức 750V VDS(MAX) thay vì 650V, nhằm giải quyết các ứng dụng sử dụng Bus DC 500V, đồng thời phục vụ các ứng dụng bus 300/400V truyền thống. Các thiết bị này duy trì định mức cổng +/- 20V, tích hợp tính năng bảo vệ ESD và khả năng sử dụng các ổ đĩa cổng đơn cực đơn giản được kích hoạt bởi 5V VTH, đó là tất cả các tính năng của kiến trúc cascode của SiC FET. Trong các ứng dụng tần số cao, có thể sử dụng các bộ truyền động cổng có điện áp thấp từ 0 đến 10V, với tác động tối thiểu đến tổn hao dẫn điện. Khả năng kháng cự đặc hiệu cực thấp của loại thuốc này công nghệ (SiC JFET 0.7mohm-cm2) cho phép điện trở bằng khoảng một nửa trong một kích thước gói nhất định so với MOSFET SiC 650V.
Tại một mức kháng cự nhất định, chip bị thu hẹp, dẫn đến điện dung thấp hơn nhiều. Điều này dẫn đến tổn thất chuyển mạch thấp hơn. Các gói TO247-3L và 4L sử dụng công nghệ Ag sinter để tăng cường khả năng chịu nhiệt kết hợp với việc làm mỏng chip, để giảm thiểu tác động của khuôn JFET nhỏ hơn và cho phép đạt được RTHJC khả năng chịu nhiệt tuyệt vời giữa các trường hợp. Các thiết bị này bảo toàn khả năng xử lý các sự kiện tuyết lở và đặc biệt tốt trong việc xử lý các sự kiện tuyết lở năng lượng thấp hơn hiện tại lên đến 2X dòng điện định mức. Hành vi góc phần tư thứ ba tuyệt vời với VFSD thấp (<1.5V) và QRR độc lập ở nhiệt độ thấp là một tính năng khác của SiC FETs và các thiết bị G4 đã giảm QRR nhiều so với các thiết bị G3 trước đó của chúng, do giảm COSS.
Trong Bảng 2, chúng tôi so sánh các thông số công nghệ đối với SiC hiện đại mosfet, Thiết bị Superjuncton và G4 SiC FET. Các hàng hiển thị RDSA cho biết điện trở mohm-cm2 của vùng chip hoạt động ở 25C và 125C. Đây là điện trở của JFET được sử dụng để xây dựng cascode SiC FET và điện trở bổ sung của LVMOS có thể thêm 10% vào con số này. 5V VTH của G4 SiC FET kết hợp với ổ cổng 0 đến 12V là duy nhất và mang lại giá trị Qg.V tốt nhất có sẵn cho việc mất ổ cổng. Việc vận hành các thiết bị này ở tần số 500kHz-1MHz mà không cần trình điều khiển cổng tiêu chuẩn quá nóng.
Cascode xây dựng cho phép thả diode thân VFSD khả dụng thấp nhất trong tất cả các tùy chọn độ rộng dải tần rộng, cho phép sử dụng các thiết bị này ở chế độ chỉnh lưu không đồng bộ. Vì hiệu suất khôi phục ngược QRR cũng rất tuyệt vời, VF * QRR tổng thể đáng giá là chưa từng có đối với G4 SiC FET. Điều này cho phép hiệu suất chuyển mạch cứng tuyệt vời và ngăn ngừa sự cố thiết bị trong mạch ZVS nếu xảy ra chuyển mạch cứng trong bất kỳ điều kiện tải nào. Các số liệu đáng giá RDS * EOSS và RDS * COSS, TR dựa trên khả năng kháng cascode ròng được sử dụng để đánh giá khả năng cơ bản của công nghệ đối với các ứng dụng chuyển đổi cứng và mềm và có thể được coi là tốt nhất trong phân khúc. Các thiết bị này có thể cho phép thực hiện đơn giản hơn các mạch chuyển mạch mềm tần số cao hơn như LLC, CLLC, DAB và PSFB.
Bảng 1: Các thông số chính của các sản phẩm SiC FET thế hệ 4 đầu tiên
Bảng 2: So sánh các thông số của FET G4 750V SiC với MOSFET 650V SiC tương tự và FET diode nhanh 600V Superjunction
Dạng sóng chuyển mạch và quản lý tốc độ chuyển mạch Hình 1 cho thấy dạng sóng chuyển mạch nửa cầu của các thiết bị 60mohm và 18mohm 750V trong gói TO247-4L được đo lần lượt ở 400V, 20A và 50A. Các dạng sóng được hiển thị bằng cách so sánh Rg lớn để điều khiển bật và tắt so với sử dụng một RC snubber trên thiết bị với Rg thấp ở cổng. Cả hai mạch đều sử dụng một RC snubber từ bus DC đến mặt đất, được gọi là bus snubber [2].
Hàng trên của Hình 1 cho thấy hoạt động chuyển mạch của 60m, 750V SiC FET UJ4C075018K4S. Sự khác biệt về tổn hao khi bật chỉ sử dụng Rg = 25ohm (171uJ) so với Rg thấp 1ohm cùng với snubber RC nguồn xả 10hm, 95pF (142uJ) là nhỏ. Di / dt bật chậm hơn đáng kể với Rg = 25ohm, nhưng dòng phục hồi đỉnh không khác nhiều. DV / dt tối đa trong khi bật cũng tương tự, vì nó được thiết lập bởi SiC JFET và không bị thay đổi bởi Rg áp dụng cho LV MOSFE trong SiC FET. Độ trễ khi bật cao hơn với 25ohm Rg.
Hành vi tắt đối với các trường hợp sử dụng Rgoff 20ohm (37uJ), so với Rgoff 1ohm cùng với snubber RC nguồn xả 10hm, 95pF (17uJ), cho thấy rằng sử dụng snubber, có thể thu được tổn thất thấp hơn, trong khi duy trì độ trễ khi tắt máy ngắn và độ vọt lố VDS thấp hơn một chút và giảm hiện tượng đổ chuông. Những tổn thất được hiển thị bao gồm cả những người không vui vẻ
tổn thất, được trích xuất riêng trong biểu dữ liệu và rất nhỏ [2, 3]. Tuy nhiên, ở dòng điện thấp hơn như 20A, snubber không cần thiết trong nhiều ứng dụng, vì tổn thất cộng thêm với điều khiển Rg đơn giản là không quá mức. Việc sử dụng thanh chắn sóng vẫn được khuyến khích, vì nó cải thiện hiệu suất đổ chuông với tác động tổn thất tối thiểu.
Tuy nhiên, ở 50A, các dạng sóng sử dụng snubbers vượt trội hơn nhiều và cho phép giảm tổng tổn thất chuyển mạch EON + EOFF gần 36%. Sử dụng Rg thấp, thời gian trễ cũng có thể được giữ ở mức thấp. Trong các đường cong thấp hơn trong Hình 1, dữ liệu chuyển mạch ở 50A, 400V cho UJ4C075018K4S (18m, 750V) được so sánh với các trường hợp sử dụng Rgoff 25ohm / 50ohm so với Rg = 1ohm với ống hít RC 10ohm, 300pF trên nguồn cống của mỗi thiết bị. Rg thấp là 1ohm chỉ có thể được sử dụng nếu thiết bị này có sẵn để quản lý quá mức và đổ chuông. Sự sắp xếp này cho phép chuyển đổi với tốc độ di / dt nhanh hơn nhiều với thời gian trễ bật giảm xuống. Suy hao khi bật (bao gồm cả tổn thất snubber) hiện là 418uJ so với 483uJ được thúc đẩy bởi di / dt hoạt động nhanh hơn. Tuy nhiên, lưu ý rằng di / dt nhanh hơn này không đi kèm với bất kỳ sự gia tăng đáng kể nào về dòng phục hồi đỉnh.
Tương tự, các dạng sóng tắt 50A, 400V ở phía dưới bên phải của Hình 1 cho thấy rằng thời gian chuyển mạch nhanh hơn và giảm thời gian trễ hơn nhiều với trường hợp Rg = 1ohm cộng với RC snubber đạt được mà không có quá mức VDS hoặc chuông nút pha. Thời gian trễ tắt cũng được giữ rất ngắn. Cho rằng EOFF với Rg = 1ohm với RC snubber chỉ là 55uJ so với 255uJ khi 50ohm Điện trở được sử dụng để giảm điện áp quá mức xuống mức tương đương, rõ ràng là việc sử dụng bộ giảm âm là rất thuận lợi cho các ứng dụng có dòng điện cao hơn >20A.
Sự lựa chọn chính xác của snubber có thể phụ thuộc vào ứng dụng, nói chung mạch điện cảm và mức dòng điện cực đại để tắt và có thể không cần thiết nếu dòng điện dưới 25A. Sự mất mát trong snubber Điện trở được đo trực tiếp tốt nhất bằng cách tích hợp tổn thất V2/R khi bật và tắt. Các giá trị này được chỉ định trong bảng dữ liệu sản phẩm [2] và là 1.7uJ ở 20A, 400V đối với UJ4C075060K4S với bộ phận chặn 10ohm, 95pF và 9.5uJ ở 50A, 400V đối với UJ4C075018K4S với bộ phận chặn 10ohm, 300pF.
Khuyến nghị rằng thiết bị chỉ cần sử dụng ổ cổng 0 đến 12V hoặc 15V, mặc dù có thể sử dụng các thay đổi thích hợp đối với các giá trị RG [4], -5V thành 15/18 / 20V và các đường ray điện áp cổng thông thường khác. Thường từ 0 đến 10V được sử dụng khi chuyển đổi trên 300kHz. Hình 2 so sánh các dạng sóng chuyển mạch nửa cầu cho thiết bị 18m, 750V và thiết bị 60m, 750V sử dụng gói TO247-4L vs TO247-3L, với ổ cổng 0-15V, chỉ sử dụng một bus snubber. Phía trên
hàng hiển thị dạng sóng bật và tắt cho thiết bị 60m, 750V sử dụng cùng một Rgon = 1ohm, Rgoff = 20ohm cho cả hai thiết bị. Các đường liền nét dành cho gói 3L, trong khi các đường đứt nét dành cho TO247-4L.
Tất nhiên, di / dt bật nhanh hơn được mong đợi đối với TO247-4L vì điện cảm nguồn chung bị bỏ qua, dẫn đến EON thấp hơn mặc dù đỉnh dòng cao hơn. Chuông cổng VGS được cải tiến nhiều khi sử dụng TO247-4L. Đổ chuông VGS cho TO247-4L cũng tốt hơn khi tắt máy, mặc dù ở đây, mức vượt đỉnh VDS thấp hơn với gói 3L cùng với EOFF cao hơn.
Nửa dưới của Hình 2 xem xét việc sử dụng hai loại gói cho chuyển mạch 50A, 400V của thiết bị 18m, 750V trong một nửa cầu, mỗi cầu có một ổ cắm 10ohm, 300pF, Rg = 1ohm và 0-15V. Hiện tại có sự khác biệt lớn hơn nhiều về dạng sóng và tổn thất khi chuyển đổi giữa các loại gói 3L và 4L. Các thiết bị 3L có tổn thất khi bật (1.67x) và tắt cao hơn đáng kể (4X) với độ vọt lố VDS và dV / dts tương tự, và với tiếng chuông VGS lớn hơn, đặc biệt là khi tắt máy. Rõ ràng, để sử dụng gói TO247 ở dòng cao hơn, việc sử dụng kết hợp gói 4L với thiết bị RC snubber cho phép đạt hiệu suất cao nhất với các dạng sóng chuyển mạch được quản lý tốt.
Tổng quan về lợi ích ứng dụng
Bây giờ chúng ta có thể xem các tính năng này của G4 SiC FET ảnh hưởng như thế nào đến một loạt các ứng dụng thiết bị. Hình 3a cho thấy một ví dụ về việc sử dụng 60m, 750V trong PFC cực Totem 3.6KW mạch. Các Semiconductor hiệu suất được vẽ biểu đồ được tính toán từ tổn thất dẫn điện và chuyển mạch đo được của các thiết bị, tính đến sự tăng nhiệt độ, nhưng không bao gồm bộ điều khiển, Cuộn cảm hoặc các tổn thất hệ thống khác. Suy hao dẫn điện và chuyển mạch thấp, khả năng phục hồi diode tuyệt vời và ổ cổng đơn giản dẫn đến hiệu quả cao được thấy ở đây. Hiệu quả này đáp ứng hoặc đánh bại có thể đạt được bằng SiC đắt tiền hơn mosfet các tùy chọn yêu cầu ổ đĩa cổng phức tạp hơn. Cả hai phiên bản 3L và 4L của gói TO247 đều được hỗ trợ. Hình 3b hiển thị dữ liệu tương tự, so sánh hiệu suất với chân chậm của TPPFC được thay thế bằng diode chỉnh lưu Si thay vì SiC FET.
Hình 3: Semiconductor hiệu quả khi sử dụng các FET SiC khác nhau trong PFC Totem-Pole mạch ở 65kHz chỉ tính đến tổn thất trong thiết bị nguồn. Biểu đồ bên trái sử dụng SiC FET cho cả hai chân chuyển mạch nhanh và chuyển mạch chậm, trong khi biểu đồ bên phải so sánh sự khác biệt khi sử dụng SiC FET trên chân nhanh (1x UF3C065030K3S), với điốt chỉnh lưu Si trên chân chậm. Tùy chọn diode Si làm giảm hiệu suất khoảng 0.2%. Thuật ngữ 1Ph 2P chỉ 1 Phase gồm 2 phần song song. Thiết bị UF3C là thiết bị G3, được đưa vào đây để hiển thị hiệu suất so với thiết bị UJ4C G4
Bảng 3: Tổn hao bán dẫn trong mạch LLC 3600W sử dụng G4 SiC FET ở các tần số khác nhau. Có thể đạt được hiệu suất rất cao, với mỗi thiết bị đóng góp tổn thất <6.27W ngay cả ở tần số 500kHz
tiết kiệm chi phí, tiết kiệm hai bóng bán dẫn và bộ truyền động cổng, nhưng hiệu suất giảm 0.2% xảy ra ở dòng cao. Trong khi một FET 60mohm là đủ cho các ứng dụng 1.5KW, một đơn vị của 18mohm hoặc hai trong số 60m được ghép song song là tốt nhất cho 3 đến 3.6KW. Tùy chọn thiết bị 18mohm duy nhất yêu cầu công suất ổ cổng thấp hơn và tiêu thụ ít dung lượng hơn.
Bảng 3 là một ước tính tương tự của Semiconductor tổn thất khi sử dụng FET SiC 60m và 18m, 750V trong ứng dụng 3600W LLC. Tổn thất dẫn truyền, ổ đĩa cổng và đi-ốt được thêm vào để ước tính tổn thất ròng trên mỗi thiết bị ở mức tải tối đa. Sử dụng 2 FET SiC 60m song song hoặc một FET SiC 18m duy nhất, tổn thất có thể được giữ ở mức dưới 6.3W trên mỗi FET ngay cả ở 500kHz, cho phép đạt hiệu suất rất cao với nhu cầu tản nhiệt tối thiểu. Mặc dù tổn thất bị chi phối bởi tổn thất dẫn truyền, nhưng sự đóng góp tương đối của suy hao dẫn truyền khi tắt, dẫn động cổng và đi-ốt cũng được thể hiện và được coi là rất thấp khi sử dụng các đặc tính của FET G4 SiC.
Việc sử dụng UnitedSiC FETs cung cấp một con đường đơn giản để đạt hiệu quả cao hơn trong các ứng dụng chuyển mạch mềm này mà không cần thay đổi nhiều ổ cổng. Trong trường hợp này, khi hoạt động của ZVS bị mất, khả năng chuyển đổi cứng của thiết bị mà không có sự phục hồi diode kém đảm bảo không xảy ra hỏng hóc. Khoảng trống điện áp bổ sung cũng giúp có tuổi thọ trường dài hơn khi cần thiết.
Tổng kết
Trong bài viết này, chúng tôi đã xem xét các thông số của FET G4 UJ4C 750V SiC mới của UnitedSiC so với MOSFET SiC và FET Superjunction ở loại 600/650V. Sau đó, chúng tôi đi sâu vào đặc điểm chuyển mạch của các thiết bị trong cả gói TO247-4L và TO247-3L, đồng thời chứng minh lợi ích của việc sử dụng gói TO247-4L và đối với dòng điện >25A, giá trị của bộ giảm âm RC để quản lý dạng sóng chuyển mạch đồng thời giảm thiểu tổn thất. Chúng tôi đã sử dụng các tham số thiết bị đã biết để trích xuất tổn thất trong cả ví dụ Totem-Pole PFC và LLC, cho thấy cách các thiết bị này có thể cho phép đạt được hiệu suất 80Plus Titanium bằng cách triển khai ổ đĩa cổng đơn giản. Những ưu điểm trong cả ứng dụng chuyển mạch cứng và chuyển mạch mềm, cùng với bộ truyền động cổng dễ dàng hơn và biên độ 100V bổ sung, khiến đây trở thành một mục mới hấp dẫn trong thế giới bóng bán dẫn SiC đang mở rộng nhanh chóng nhắm đến phạm vi ứng dụng 600-750V trong bộ sạc EV, EV Bộ chuyển đổi DC-DC, Trung tâm dữ liệu, Nguồn viễn thông, Năng lượng tái tạo và Lưu trữ năng lượng. Rất nhiều thông tin bổ sung có thể được tìm thấy trên trang web UnitedSiC.