Раскрывая секреты: особенности размещения драйверов карбид-кремниевых транзисторов

10 декабря 2021

управление питаниемуправление двигателемWolfspeedстатьядискретные полупроводникиMOSFETMotor DriveSiC MOSFET

Дэйв Скиннер, Юкван Ху (Wolfspeed)

В статье приведены советы и рекомендации по проектированию печатных плат преобразователей на основе карбид-кремниевых транзисторов (не только производства Wolfspeed), позволяющие избежать наиболее распространенных ошибок и уменьшить вероятность отказа оборудования как в процессе разработки, так и во время его практической эксплуатации.

Драйверы силовых транзисторов чувствительны к наводкам и помехам, поэтому при трассировке печатных проводников, соединяющих эти узлы с остальными элементами схемы, следует придерживаться нескольких правил, игнорирование которых может привести к нестабильной работе преобразователя независимо от его мощности. Особое внимание следует уделять микросхемам, управляющим карбид-кремниевыми приборами, поскольку из-за более высоких скоростей изменения напряжений и токов уровень наводок в этих схемах обычно намного выше, чем в системах на традиционной кремниевой основе.

Особенности преобразователей на основе карбид-кремниевых приборов

Ключевыми преимуществами карбид-кремниевых полупроводниковых приборов являются высокая скорость переключения и малая величина статических потерь. Использование их в импульсных преобразователях электрической энергии позволяет улучшить практически все основные параметры этих схем, в первую очередь – КПД и удельную мощность. Неудивительно, что карбид-кремниевые диоды и транзисторы нашли широкое применение в самых современных приложениях, в числе которых инверторы для солнечных электростанций, источники бесперебойного питания, системы накопления энергии и электромобили. Однако высокая скорость нарастания напряжения (dv/dt) и тока (di/dt), характерная для этих схем, из-за наличия паразитных связей между элементами создает ряд проблем, проявляющихся, например, в виде повышенного уровня электромагнитных помех или самопроизвольных включений транзисторов в силовой части (рисунок 1). Поэтому печатные платы для преобразователей на карбид-кремниевых приборах требуют более внимательной и тщательной проработки, чем при использовании кремниевой элементной базы.

Рис. 1. Основные последствия высокой скорости изменения напряжений и токов

Рис. 1. Основные последствия высокой скорости изменения напряжений и токов

Особое внимание следует уделять мощным системам, в которых используется параллельное соединение нескольких приборов. Даже при параллельном включении всего двух транзисторов происходит удвоение скорости изменения тока (di/dt), что приводит к двукратному повышению уровня наводок и увеличению вероятности появления опасных перенапряжений во всех цепях, имеющих емкостную связь с силовыми проводниками. Кроме того, при каждой коммутации транзисторов возникают колебания напряжений и токов в паразитных резонансных контурах, образованных индуктивностью силовых дорожек и межэлементными емкостями платы. Если эти колебания попадут в цепи, отвечающие за стабильность системы, например, в цепи отрицательной обратной связи, то это может привести к неравномерному распределению нагрузки между силовыми приборами и ухудшению КПД всей системы. Таким образом, при проектировании печатной платы преобразователей на карбид-кремниевых транзисторах и диодах особое внимание следует уделать взаимному расположению компонентов и печатных проводников, минимизирующему величины паразитных индуктивностей и емкостей.

Влияние паразитных параметров на работу преобразователя

Карбид-кремниевые MOSFET изначально имеют малые значение всех паразитных емкостей, что позволяет повысить частоту переключений и, соответственно, увеличить удельную мощность преобразователей. Однако при этом увеличивается и общая энергия колебаний в паразитных резонансных контурах, неизбежно возникающих при использовании физически существующих компонентов. Наибольшее влияние на характеристики преобразователя оказывают контуры, образованные паразитными емкостями транзистора (CGD, CDS, CGS) и паразитными индуктивностями печатных проводников в цепи затвора LGS и в коммутируемой цепи, состоящей из индуктивности проводников между стоком и шиной питания LDS и индуктивности проводников между истоком и общей шиной LCS.

Наименьшее влияние на работу системы оказывают процессы, происходящие в цепи затвора. Наличие паразитной индуктивности LGS на этом участке схемы приводит к возникновению нежелательных колебаний напряжения между затвором и истоком и появлению дополнительных задержек при коммутации, поэтому драйвер необходимо располагать как можно ближе к транзистору. Если это условие не выполнить, то увеличение амплитуды колебаний управляющего напряжения может привести к появлению аналогичных флуктуаций в цепи стока, в худшем случае – к непредвиденному включению транзистора.

Наличие индуктивностей в коммутируемой цепи приводит к появлению перенапряжений в моменты выключения транзисторов, что, в свою очередь, ведет к нарастанию динамических потерь и увеличивает вероятность пробоя. Кроме того, наличие емкостной связи между коммутируемой цепью и цепью управления (паразитной емкости CGD) приводит к уменьшению скорости изменения напряжения между затвором и истоком, что увеличивает время нахождения транзистора в активном режиме и, как следствие, приводит к дополнительным выделениям тепла на его кристалле.

Особо следует отметить влияние индуктивностей в цепи коммутации на работу параллельно соединенных приборов. При высокой скорости переходных процессов даже незначительное расхождение в величинах LDS и LCS в разных плечах, вызванное, например, разной длиной дорожек, может стать причиной неравномерного распределения тока между приборами во время переключений. А если учесть, что сток транзистора имеет отрицательную обратную связь с затвором, то такой режим работы приведет к заметному расхождению длительностей коммутации в разных плечах, из-за чего на кристалле одного из транзисторов будет выделяться большее количество тепла, что, в свою очередь, приведет к уменьшению КПД всей системы.

К сожалению, спроектировать печатную плату так, чтобы исключить появление паразитных индуктивностей и емкостей, невозможно. Однако существует несколько способов, позволяющих максимально уменьшить эти параметры. Рассмотрим основные из них.

Рекомендации по размещению драйвера

Во многих преобразователях силовые цепи часто располагают только на одном из внешних слоев многослойной печатной платы (в англоязычной литературе такое расположение называют «боковой ориентацией силового контура» – «Lateral Power Loop»). В этом случае один из внутренних слоев платы (обычно – ближайший к силовому слою) выполняет функцию экрана и называется экранирующим или защитным слоем («Shield Layer») (рисунок 2). При протекании по силовым проводникам высокочастотного тока в защитном слое платы индуцируются токи, нейтрализующие электромагнитное поле, создаваемое силовой частью. Такая компоновка печатной платы приводит к уменьшению взаимной индуктивности и емкости между силовым контуром и контуром управления, что, в конечном итоге, значительно уменьшает степень влияния коммутируемой цепи на качество выходного напряжения драйвера.

Рис. 2. Конфигурация проводников печатной платы в точке подключения драйвера с минимальным уровнем влияния коммутируемой цепи на цепь управления

Рис. 2. Конфигурация проводников печатной платы в точке подключения драйвера с минимальным уровнем влияния коммутируемой цепи на цепь управления

Паразитная индуктивность в цепи затвора образует с его входной емкостью колебательный контур, в котором всегда будет присутствовать «звон» – нежелательные колебания напряжения на резонансной частоте. Для максимального уменьшения амплитуды этих флуктуаций микросхема драйвера должна располагаться как можно ближе к управляемым транзисторам. Это поможет не только сократить до минимума величину паразитной индуктивности, но и упростить симметрирование контуров управления в случаях, когда драйвер управляет несколькими приборами.

При размещении драйвера следует также обращать внимание на площадь токовой петли, образуемой проводами, соединяющими драйвер с выводами затвора и истока, поскольку она является прекрасной магнитной антенной для излучения и приема электромагнитных помех. При трассировке проводников следует максимально уменьшить ее площадь, например, путем размещения этих проводников один под другим в разных слоях печатной платы. При использовании параллельного соединения нескольких транзисторов также следует помнить, что эти петли должны быть по возможности одинаковы для всех приборов.

Один из удачных вариантов подключения драйвера, управляющего двумя транзисторами, показан на рисунке 2. В этом примере печатные проводники, соединяющие точку подключения драйвера, расположенную в непосредственной близости от управляемых приборов, с выводами затвора, находятся непосредственно над обратными проводниками, соединяющими этот разъем с выводами истока, что уменьшает площадь петли обоих контуров управления. Кроме этого, контуры в цепях управления обоими транзисторами являются одинаковыми, что обеспечивает равномерное распределение тока управления.

Рекомендации по повышению устойчивости к электромагнитным помехам

Как и в схемах преобразователей на основе кремниевых транзисторов, повысить устойчивость контура управления к помехам, проникающим из цепей стока, можно путем установки между затвором и истоком дополнительного конденсатора небольшой емкости. Обладая малым сопротивлением для токов высокой частоты, этот конденсатор может уменьшить уровень перенапряжений в цепи затвора, возникающих во время коммутации транзистора. Однако установка таких конденсаторов приведет к уменьшению скорости изменения напряжений между затвором и истоком, что, в свою очередь, станет причиной роста динамических потерь. Поэтому в этой ситуации следует принимать компромиссное решение, выбирая конденсатор с емкостью, обеспечивающий наилучший баланс между КПД преобразователя и его помехоустойчивостью.

Неплохим способом повышения устойчивости контура управления к электромагнитным помехам является использование RC-снабберов и ферритовых бусин. RC-снабберы, установленные между стоком и истоком силового транзистора, способны поглотить основную часть энергии высокочастотных колебаний в цепи стока и уменьшить уровень перенапряжения во всех элементах силовой части преобразователя. Ферритовые бусины, включенные последовательно с выводом затвора, значительно уменьшают добротность колебательного контура, образованного паразитными элементами в цепях управления, в области высоких частот, не оказывая заметного влияния на характеристики этой цепи на рабочих частотах. Это позволяет эффективно превратить в тепло энергию высокочастотных колебаний, возникающих из-за связи контура управления с коммутируемой цепью, тем самым уменьшая уровень перенапряжения в цепи затвора.

Заключение

Основные принципы проектирования печатных плат для преобразователей на основе карбид-кремниевых транзисторов – такие же, как и при использовании приборов на основе кремния. Разница заключается лишь в том, что из-за высоких скоростей изменения напряжений и токов, существующих в этих схемах, некоторые моменты требуют более пристального внимания и более тщательной проработки. Только в этом случае преобразователь сможет обеспечить те высокие технические характеристики, которые являются отличительной чертой всех карбид-кремниевых технологий.

Источники

  1. Chen, D. Boroyevich and R. Burgos, «Experimental parametric study of the parasitic inductance influence on MOSFET switching characteristics,» The 2010 International Power Electronics Conference – ECCE ASIA -, Sapporo, 2010, pp. 164-169, doi: 10.1109/IPEC.2010.5543851.
•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED

Компания Wolfspeed является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них – рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Wolfspeed производит высоковольтные SiC диоды, SiC MOSFET, SiC силовые моду ...читать далее

Товары
Наименование
C3M0016120K (CREE PWR)
C3M0021120D (CREE PWR)
C3M0032120K (CREE PWR)
C3M0060065D (CREE PWR)
C3M0065090D (CREE PWR)
C3M0120090D (CREE PWR)
C3M0280090D (CREE PWR)