Преимущества SiC-технологии и их использование: MOSFET и драйверы затвора Infineon

23 декабря 2020

управление питаниемуправление двигателемInfineonстатьяинтегральные микросхемыSiCMOSFETIGBTAC-DCSiC MOSFET

Джованбаттиста Маттиуси, Диого Варахао (Infineon)

С целью поддержки своих карбид-кремниевых MOSFET из линейки CoolSiC, обеспечивающих наиболее высокую в отрасли производительность, компания Infineon предлагает шесть моделей специализированных ИС драйверов затвора из линейки EiceDRIVER, основанных на одном выходном каскаде драйвера Rail-to-Rail.

Глобальные тенденции, такие как цифровизация и борьба за энергоэффективность, в последние несколько лет ставят новые задачи для производителей электроники. Разработка силовых полупроводниковых устройств для повышения КПД систем управления питанием стоит на повестке дня всей отрасли.

Cиловые полупроводники, выполняя роль строительных блоков систем питания, являются одним из решающих факторов энергоэффективности. Разработчики систем питания – от источников питания до инверторов – сталкиваются со все более сложными задачами по повышению КПД без увеличения стоимости продукции. Фактор стоимости имеет принципиально важное значение. Помимо сохранения прибыли OEM-производителей, снижение цен на солнечные инверторы, источники питания с высоким КПД и электромобили будет способствовать развитию более экологичной инфраструктуры и окажет положительное влияние на будущее нашей планеты. 

Выбор технологий

С точки зрения разработчика важно достичь обоснованного и сбалансированного компромисса между стоимостью и КПД. В дополнение к традиционному кремнию в последнее время появились новые технологии и материалы, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), которые способствуют увеличению КПД и удельной мощности. Благодаря свойствам материала полупроводники с широкой запрещенной зоной (wide bandgap, WBG) обладают большим потенциалом для достижения улучшенных характеристик. Они обеспечивают более высокие напряжение пробоя и рабочую частоту, гибкие тепловые свойства и устойчивость к жестким коммутациям. Все эти характеристики делают их более подходящими для новых топологий с высоким КПД, чем решения на основе кремния.

Оптимальные применения каждой технологии

Как показано на рисунке 1, продукты на основе кремния, такие как Super-Junction MOSFET или IGBT, могут использоваться в широком диапазоне напряжений (от нескольких вольт до нескольких сотен вольт) и в разных классах мощности, в то время как продукты на основе SiC находят идеальное применение при напряжениях 650 В и выше, тем самым выходя за пределы кремниевой технологии и достигая уровней выше 3 кВ. Устройства на основе GaN больше подходят для напряжений ниже 650 В. И SiC, и GaN значительно лучше кремния, когда требуется высокая рабочая частота. Таким образом, оптимальная технология определяется требованиями проекта и целями разработки.

Рис. 1. Технологии Si, SiC и GaN

Рис. 1. Технологии Si, SiC и GaN

Развивая все три технологии, компания Infineon предлагает широкий ассортимент продукции в диапазоне 600…650 В: CoolMOS™ Super-Junction MOSFET, CoolSiC™ SiC MOSFET и CoolGaN™ GaN нормально-открытые HEMT. Несмотря на то, что Super-Junction MOSFET-транзисторы удовлетворяют большинству современных требований к КПД и удельной мощности при оптимальной цене, в некоторых случаях, например, для улучшения термоустойчивости или при разработке устройств сверхвысоких удельных мощностей, технологии SiC и GaN будут оптимальным выбором. MOSFET-транзисторы CoolSiC™ демонстрируют превосходные тепловые свойства благодаря своей устойчивости, а HEMT-транзисторы CoolGaN™ подходят для высоких рабочих частот, что приводит к очень высоким уровням удельной мощности.

В будущем ожидается дальнейшее развитие WBG-полупроводников, которые заменят кремниевые устройства, однако все три технологии еще долгое время будут сосуществовать. Для некоторых применений внедрение технологии SiC будет идти быстрее из-за простоты ее использования и относительно легкого перехода от Super-Junction MOSFET и IGBT.

MOSFET-транзисторы CoolSiC™ компании Infineon (рисунок 2) разработаны для реализации технологии SiC, и при правильном подходе к проектированию являются наилучшим выбором для применений, требующих высокой производительности.

Рис. 2. Основные особенности и характеристики устройств на MOSFET 650 В CoolSiC™

Рис. 2. Основные особенности и характеристики устройств на MOSFET 650 В CoolSiC™

Тем не менее, сопротивление в открытом состоянии является основным исходным параметром данной технологии, и по-прежнему важно найти правильный баланс между показателями производительности (сопротивлением и потерями при переключении) и необходимой работоспособностью. MOSFET CoolSiC™ и соответствующие драйверы затвора EiceDRIVER™ разработаны так, чтобы полностью реализовать смысл технологии SiC, то есть обеспечить производительность за счет прочности, надежности и простоты использования. Обзор доступных вариантов представлен на рисунке 3. 

Рис. 3. Линейка продуктов CoolSiC™ компании Infineon

Рис. 3. Линейка продуктов CoolSiC™ компании Infineon

В плане надежности MOSFET на основе SiC имеют слабое место в оксиде затвора (GOX) – в слое, которые изолирует затвор от истока. Рост кристаллов SiC привносит дефекты в структуру, и те дефекты, которые проникают через оксид затвора, могут создавать локальное утончение, увеличивая поле до пробоя диэлектрика, что в конечном итоге может разрушить устройство. Чтобы избежать этого, MOSFET-транзисторы CoolSiC™ имеют в своей структуре канавки, дающие два основных преимущества:

  • меньшее количество дефектов в GOX за счет ориентации структуры;
  • увеличенная толщина GOX без ущерба для производительности (можно выбрать более толстый GOX, что не повлияет на Ron), благодаря повышению надежности и более высоким возможным значениям напряженности электрического поля, что позволяет проводить испытания при увеличенных напряжениях, повышая эффективность выявления дефектов.

Что касается производительности, MOSFET-транзисторы CoolSiC™ характеризуются очень низкими потерями при переключениях и на проводимости за счет относительно пологой зависимости RDS(on) от температуры. Устойчивость к паразитным включениям не только уменьшает коммутационные потери, но также имеет большое значение с точки зрения простоты использования. Благодаря этой устойчивости MOSFET-транзисторы CoolSiC™ являются единственными устройствами на рынке, которые могут надежно отключаться при 0 В без необходимости использования отрицательного напряжения (хотя данные транзисторы можно использовать и в этом случае). В итоге схема управления становится проще и полностью совместима с решениями управления Super-Junction MOSFET.

В диапазоне управляющих напряжений необходимо иметь некоторый запас по напряжению между верхним пределом рабочего диапазона VGS и максимально допустимым напряжением VGS.max, указанным в спецификации. Такой запас гарантирует защиту от скачков, которые могут повредить оксид затвора, и дополнительно повышает надежность технологии CoolSiC™.

ИС EiceDRIVER™ для комплексного решения

Для оптимального управления и защиты устройств CoolSiC™ MOSFET 650 В компанией Infineon разработаны шесть специализированных ИС драйверов затвора. На рисунке 4 показаны четыре варианта исполнения микросхем, что позволяет легко адаптировать их к различным требованиям с точки зрения удельной мощности, места на печатной плате и класса изоляции [1].

Рис. 4. ИС драйвера затвора компании Infineon

Рис. 4. ИС драйвера затвора компании Infineon

Одноканальные неизолированные ИС EiceDRIVER™ 1EDN9550B и 1EDN6550B доступны в 6-выводном корпусе SOT-23 и могут использоваться для управления ключом нижнего плеча полумоста на транзисторах SiC [2]. Благодаря наличию дифференциальных входов они отлично подходят для 4-контактного подключения MOSFET с дополнительным выводом истока. Уникальная концепция дифференциального управления может предотвратить ложное срабатывание из-за резистивных или индуктивных падений напряжения между опорными потенциалами ИС контроллера и драйвера даже при быстрых переходных процессах [3]. Таким образом, эти ИС драйвера затвора представляют собой компактное и надежное решение для эффективной работы MOSFET на основе SiC. Изолированные ИС EiceDRIVER™ 1EDB9275F и 1EDB6275F предлагаются в корпусе DSO-8 150 мил с номинальным напряжением изоляции 3 кВRMS в соответствии с UL1577 (ожидается сертификация) [4]. В сочетании с драйверами 1EDNx550B, у которых есть дифференциальные входы, можно получить гибридную конфигурацию управления затвором для полумостовой схемы на транзисторах SiC в резонансных LLC-преобразователях и преобразователях с двухтранзисторной схемой с коррекцией коэффициента мощности. Гибкость компоновки за счет использования одноканальных ИС драйвера затвора позволяет оптимизировать размещение компонентов на печатной плате, чтобы уменьшить паразитные индуктивности контура затвора. Кроме того, такая гибридная конфигурация управления затвором приводит к экономии площади печатной платы на 28% (по сравнению с двухканальной ИС драйвера затвора) и сокращению перечня компонентов.

Альтернативные решения для управления затвором становятся возможными благодаря использованию двухканальных изолированных ИС драйверов затвора. Драйвер EiceDRIVER™ 2EDF9275F, доступный в корпусе DSO-16 150 мил, идеально подходит для двухтранзисторной схемы с коррекцией коэффициента мощности [5]. Драйвер 2EDS9265H с усиленной изоляцией будет отличным выбором для резонансных LLC-преобразователей, когда сигналы ШИМ пересекают изоляционный барьер. Кроме того, этот драйвер поставляется в корпусе DSO-16 300 мил и соответствует требованиям стандартов безопасности VDE0884-10 и UL1577 [6].

В таблице 1 показаны основные характеристики специализированных ИС драйверов затвора для CoolSiC™ MOSFET 650 В. Несмотря на разные корпуса и классы изоляции входа-выхода, номинальные характеристики и сертификации, эти драйверы затвора основаны на одном выходном каскаде драйвера Rail-to-Rail. Он реализован с дополнительными МОП-транзисторами, которые могут обеспечить ток истока 5,4 А и ток стока 9,8 А для быстрого включения и выключения, чтобы минимизировать потери переключения. При Ron равном 0,85 Ом для истока pМОП-транзистора и 0,35 Ом для стока nМОП-транзистора драйвер можно рассматривать почти как идеальный переключатель, позволяющий ему работать с меньшим охлаждением из-за меньшего рассеивания мощности в ИС.

Таблица 1. ИС драйверов затвора CoolSiC ™ MOSFET 650 В Infineon

Наименование Корпус Изоляция «вход-выход» UVLO2 (тип.)
Вкл/выкл,
В
Выходной пиковый ток истока/стока1, А CMTI (мин.) Задержка распро-странения, нс Точность задержки распро-
стра-
нения
Класс изоляции Номиналы
1EDN9550B* SOT-23-6 Без изоляции Относительно общей точки:
≤ ±200 VDC
≤ ±400 VAC
14,9/14,4 5,4/-9,8 45 -7 нс/+10 нс
1EDN6550B* 12,2/11,5
1EDB9275F* DSO-8
150 мил
Одиночная защита Viso=3 кВRMS
(UL1577)
14,9/14,4 300 В/нс 45 -4 нс/+4 нс
1EDB6275F* 12,2/11,5
2EDF9275F DSO-16
150 мил
Функциональная VIO=1,5 кВDC 13,7/12,9 150 В/нс 37 -6 нс/+7 нс
2EDS9265H DSO-16
300 мил
Усиленная VIOTM=8 кВпик
(VDE 0884-10)
Viso=5,7 кВRMS (UL1577)
13,7/12,9 150 В/нс 37 -6 нс/+7 нс
* – Скоро в продаже;
1 VDDO=15 В, Vout= 0 В, Tокр.среды= 25°C; 2 UVLO – защита от пониженных напряжений (undervoltage lockout).

Устойчивость к синфазным скачкам (Common-mode transient immunity, CMTI) имеет решающее значение для предотвращения искажения сигнала во время быстрых переходных процессов, возникающих между входными и выходными опорными потенциалами (землями) гальванически изолированной ИС драйвера затвора. Поскольку MOSFET на основе SiC могут генерировать нарастание напряжения выше 100 В/нс, CMTI является ключевым параметром, который следует учитывать при выборе драйвера затвора. Микросхемы 1EDB6275F и 1EDB9275F обеспечивают минимальную устойчивость CMTI на уровне 300 В/нс, а 2EDF9275F и 2EDS9265H – на уровне 150 В/нс, что намного превышает требования для большинства схем с быстрыми переключениями SiC-транзисторов.

Временные характеристики драйвера также имеют важное значение для использования всего потенциала MOSFET на основе SiC. Низкая задержка распространения сигнала от входа к выходу в сочетании с высокой точностью при колебаниях температуры и с учетом разброса параметров микросхем при производстве позволяет использовать короткий период мертвого времени между двумя сигналами ШИМ полумоста. Это повышает КПД за счет увеличения эффективного времени передачи мощности.

На рисунке 5 показан типичный вариант использования MOSFET-транзисторов CoolSiC™ на 650 В компании Infineon в двухтранзисторной схеме с коррекцией коэффициента мощности. Он состоит из SiC-полумоста 48 мОм, управляемого гибридной конфигурацией драйверов EiceDRIVER™ 1EDB9275F и 1EDN9550B. Функции диодов в цепи питания обычно реализуются MOSFET-транзисторами с низким RDS(on), работающими как синхронные выпрямители. В итоге такой силовой каскад может управлять мощностью до 3,3 кВт с КПД выше 99% [7].

Рис. 5. Гибридное управление затвором MOSFET CoolSiC™ 650 В на основе EiceDRIVER™ 1EDB9275F и 1EDN9550B

Рис. 5. Гибридное управление затвором MOSFET CoolSiC™ 650 В на основе EiceDRIVER™ 1EDB9275F и 1EDN9550B

Одним из преимуществ полупроводниковой технологии WBG компании Infineon является возможность использования стандартных драйверов затвора благодаря поддержке управляющих напряжений 0 В и 18 В. Управление затвором с помощью напряжения 18 В снижает RDS(on) примерно на 18% по сравнению с управляющим напряжением в 15 В [8]. В любом случае, учитывая обзор из таблицы 1, у разработчика есть множество вариантов с точки зрения защиты при пониженном управляющем напряжении UVLO. Функция UVLO гарантирует, что в случае падения напряжения питания VDDO до уровня, при котором силовой ключ будет работать в линейном режиме, ИС драйвера затвора будет держать транзистор в выключенном состоянии и в пределах его безопасной рабочей зоны, что позволяет избежать чрезмерного рассеивания мощности. При управлении затвором с помощью напряжения 15 В для транзисторов с напряжением выключения 11,5 В следует выбрать драйверы 1EDN6550B и 1EDB6275F. Для применений с более высоким напряжением управления затвором (например, 18 В) следует выбирать 1EDN9550B, 1EDB9275F, 2EDF9275F или 2EDS9265H, поскольку их уровень напряжения выключения UVLO выше. Кроме того, как показано на рисунке 5, рекомендуется подключить диод Шоттки между затвором и дополнительным контактом истока транзистора (выводом Кельвина) для сдерживания вызванных переключениями провалов на выводе затвора, которые могут привести к дрейфу порогового напряжения затвора VGS(th) в течение срока службы.

Поскольку 1EDB9275F, 1EDB6275F, 1EDN9550B и 1EDN6550B имеют инвертирующий (IN-) и неинвертирующий (IN+) входы, перекрестная защита может быть реализована путем разводки обоих сигналов ШИМ на каждую ИС драйвера затвора, как показано на рисунке 5. Любое нежелательное перекрытие сигналов ШИМ верхнего и нижнего плеча не будет распространяться на затворы транзисторов. Если такая дополнительная функция защиты не требуется, ее можно отключить, подключив IN- к GNDI.

Подведем итог: одноканальные и двухканальные ИС драйвера затвора с гальванической развязкой семейства EiceDRIVER™ являются наилучшим выбором для работы с транзисторами CoolSiC™ MOSFET 650 В с целью достижения оптимального сочетания КПД, удельной мощности и надежности для построения высокопроизводительных силовых преобразователей.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
1EDF5673FXUMA1 (INFIN)
1EDF5673KXUMA1 (INFIN)
1EDS5663HXUMA1 (INFIN)
1ED3120MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3121MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3122MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3123MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3124MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3131MU12HXUMA1 (INFIN)
1ED3431MU12MXUMA1 (INFIN)
1ED3461MU12MXUMA1 (INFIN)
1ED3491MU12MXUMA1 (INFIN)