№5 / 2017 / статья 4

CoolSiC™: новая революция в области MOSFET

Максимилиан Славински (Infineon Technologies AG), Марк Бушкуэле (Infineon Technologies AG)

Ключи на основе карбида кремния (SiC) все чаще применяются в импульсных преобразователях и в схемах питания высокой мощности. Новейшие технологии обеспечивают повышенный КПД, более высокую частоту переключения, снижение потерь мощности и экономию места на печатной плате. Компания Infineon под лозунгом «A revolution to rely on» представила на выставке PCIM в мае 2016 года самую последнюю линейку CoolSIC™ MOSFET.

Некоторые сферы применения всегда будут в числе первых пользователей любой новой технологии. Другие же, в зависимости от ряда факторов, включая общую стоимость системы, последуют за ними, когда соотношение между ценой и эффективностью станет достаточно привлекательным для перехода на новую технологию.

SiC-диоды Шоттки уже широко используются в высокопроизводительных источниках питания. В перспективе компания Infineon полагает, что солнечные инверторы и повышающие конвертеры смогут получить максимальную выгоду от применения карбид-кремниевых приборов, а затем последуют источники бесперебойного питания (ИБП) и зарядные устройства. Для таких традиционных сегментов как электропривод, транспорт и, в отдаленной перспективе, автомобильная отрасль, широкомасштабный переход к новой полупроводниковой технологии ожидается в будущем.

Рис. 1. Преимущества SiC и основные сферы применения

Рис. 1. Преимущества SiC и основные сферы применения

Наиболее важной тенденцией в солнечных инверторах является увеличение удельной мощности за счет снижения потерь на переключение, которое позволяет уменьшить размеры радиатора. При этом более высокие рабочие частоты дают возможность применять магнитные компоненты меньших размеров (рисунок 1).

Решения CoolSiC MOSFET

Начало производства CoolSiC MOSFET с сопротивлением открытого канала RDS(ON) 45 мОм является важным шагом для полупроводниковых приборов на основе SiC. Но электрические характеристики — это только одна часть картины. Для быстрого переключения IGBT-транзисторов и транзисторов на основе карбида кремния конструкция корпуса так же важна, как и электрические параметры, поэтому компания Infineon разработала широкий ассортимент корпусов.

4-выводной корпус TO-247 (IMZ120R045M1) вместо стандартного 3-выводного TO-247 (IMW120R045M1) имеет специальный вывод истока (соединение Кельвина) для подключения управляющего напряжения (рисунок 2). В результате ток, протекающий через силовые выводы «сток-исток», не влияет на управляющее напряжение «затвор-исток». В свою очередь это снижает потери на включение на величину до 40%.

Рис. 2. Обзор CoolSiC MOSFET в выводных корпусах

Рис. 2. Обзор CoolSiC MOSFET в выводных корпусах

Данные транзисторы в выводных корпусах идеально подходят для применений, где требуется высокая частота переключения. Ожидается, что в ближайшем будущем они найдут свое применение в инверторах для солнечных панелей, зарядных устройствах и источниках бесперебойного питания.

Наряду с дискретными транзисторами SiC-приборы будут выпущены в популярных силовых корпусах Easy1B в конфигурации «полумост» и «повышающая ступень». Модули оптимизированы для применения в инверторах для солнечной энергетики и содержат 1200-вольтовые CoolSiC-диоды Шоттки и кремниевые диоды с малым прямым падением напряжения VF для организации байпасной схемы и защиты от обратной полярности напряжения. Гибкое расположение выводов в модулях Easy 1 B значительно упрощает процесс трассировки печатной платы, а также обеспечивает паразитную индуктивность не более 10 нГн. Это в пять раз лучше по сравнению с предыдущими решениями, что является важным шагом при разработке силовых модулей. Карбид-кремниевые модули размером со спичечный коробок используются в системах до 20 кВт.

КПД, удельная мощность и стоимость являются ключевыми факторами при выборе альтернативных полупроводниковых материалов для силовых диодов и транзисторов. Гибридные силовые модули с кремниевыми IGBT- и SiC-диодами Шоттки стали основой для силовых преобразователей с высокой частотой переключения (>10 кГц), таких как инверторы для солнечных батарей и системы бесперебойного питания. Infineon удовлетворяет эти требования, предлагая широкую линейку CoolSiC-диодов Шоттки в дискретных корпусах и несколько гибридных силовых модулей линеек EasyPack™ и EconoPACK™.

Следующий шаг по направлению к более высокой частоте переключения и увеличению КПД может быть сделан за счет использования полностью карбид-кремниевых приборов, то есть SiC MOSFET и SiC-диодов.

Благодаря полному переходу на технологию SiC удалось добиться дополнительного уменьшения мощности потерь примерно на 50% за счет дальнейшего снижения потерь на включение и выключение (рисунок 3).

Рис. 3. Снижение потерь за счет использования силовых устройств на основе карбида кремния

Рис. 3. Снижение потерь за счет использования силовых устройств на основе карбида кремния

Многие из доступных в настоящее время SiC MOSFET требуют использования специальных драйверов в сочетании с нестандартными управляющими напряжениями, что приводит к их малой адаптации на рынке. Новый CoolSiC MOSFET производства компании Infineon использует стандартные напряжения управления IGBT-транзисторами (например, -5/15 В или 0/15 В). Это позволяет использовать такие стандартные драйвера управления как EiceDRIVER™ Compact, что упрощает внедрение SiC MOSFETs в силовых схемах.

Динамические характеристики

Динамические характеристики новых приборов были проверены путем тестирования 45 мОм CoolSiC MOSFET в 4-выводном корпусе TO-247 с управляющим напряжением -5/15 В. Представленный транзистор показывает очень чистое переключение, практически без осцилляций во время включения. Это позволяет осуществить легкую и быструю интеграцию CoolSiC в существующие системы с использованием стандартных драйверов IGBT EiceDRIVER.

Для оценки динамических характеристик на системном уровне был построен DC/DC-преобразователь с применением полумостового модуля CoolSiC с сопротивлением открытого канала 23 мОм при комнатной температуре (FF23MR12W1M1_B11) и полумостового драйвера EiceDRIVER Compact с пиковым выходным током 6 А (1EDI60H12AH). Модуль был использован в двунаправленной понижающе-повышающей топологии преобразователя.

Измерения проводились для определения dV/dt при сопротивлении затвора 1 Ом и различных токах стока. Верхние диаграммы на рисунке 4 показывают переключение при 5 А, где видны незначительные пульсации при включении и выключении. Скорость нарастания напряжения при выключении имеет относительно невысокое значение – 5 кВ/мкс. Нижние диаграммы показывают переключение модуля CoolSiC MOSFET при напряжении 600 В и 30 А.

Рис. 4. Включение и выключение модуля CoolSiC в составе DC/DC-преобразователя при 5 A и 30 A

Рис. 4. Включение и выключение модуля CoolSiC в составе DC/DC-преобразователя при 5 и 30 A

Скорость роста напряжения dV/dt при выключении составляет 34 кВ/мкс, что значительно выше, чем при 5 А. Причиной сильной зависимости динамических характеристик от тока стока является  выходная емкость SiC MOSFET. Таким образом большие токи «сток-исток» ускоряют процесс выключения прибора. Дальнейшие измерения dV/dt и пикового напряжения ΔVDS приведены в таблице 1.

Таблица 1. dV/dt и пиковые VDS при различных токах

Ток, А dVON/dt, кВ/мкс ΔV DS, ON, В dVOFF/dt, кВ/мкс ΔV DS, OFF, В
5 40 -71 5 24
10 52 -79 11 33
20 50 -89 22 40
30 55 -97 34 52

Управляемость

Еще одним преимуществом CoolSiC MOSFET является регулировка dv/dt и di/dt при помощи внешних резисторов затвора. Результаты тестирования полумостового модуля FF45mR12W1M1_B11 CoolSiC Easy1B можно увидеть ниже.

Увеличение значения внешних резисторов затвора позволяет уменьшить значения dV/dt и di/dt MOSFET. Это простой прием для уменьшения электромагнитных помех.

Управляемость МОП-транзистора CoolSiC через внешний резистор затвора и соответствующие уровни di/dt и du/dt показана на рисунке 5.

Рис. 5. Управление CoolSiC MOSFET через внешний резистор затвора

Рис. 5. Управление CoolSiC MOSFET через внешний резистор затвора

Управление dv/dt позволяет получить динамические характеристики прибора в соответствии с требованиями конкретного применения. Типичным примером является ограничение значения dv/dt при управлении двигателем для уменьшения вероятности повреждения изоляции его обмотки (например, 5 кВ/мкс). При правильном выборе внешних резисторов затвора эти ограничения легко выполнимы с помощью CoolSiC MOSFET.

Другой немаловажной задачей проектировки является правильная трассировка печатной платы управления MOSFET. Основное здесь – это минимизация индуктивности контура вокруг петли «затвор-исток» между микросхемой драйвера, затвором модуля и дополнительным выводом истока. Это может быть достигнуто с помощью принципа «полосковых линий» с использованием полигонов и широких дорожек, расположенных параллельно друг другу. Таким образом можно значительно снизить электромагнитный шум, что особенно важно при жестком переключении с Rg = 1 Ом.

Для того, чтобы получить максимальный КПД при использовании CoolSiC MOSFET, очень важно обратить внимание на трассировку печатных плат, особенно на сведение к минимуму паразитной индуктивности сигнальных цепей. Демонстрационная печатная плата (рисунок 6) является частью системы, предназначенной для измерения характеристик модуля CoolSiC. Эта система работает на частотах до 500 кГц.

Рис. 6. Пример простой схемы CoolSiC MOSFET с использованием компактного драйвера 1EDI6012AH производства Infineon

Рис. 6. Пример простой схемы CoolSiC MOSFET с использованием компактного драйвера 1EDI6012AH производства Infineon

Заключение

Благодаря отличным динамическим характеристикам и  стандартным напряжениям управления (как у драйверов IGBT) CoolSiC MOSFET Infineon не требуют приложения больших усилий для новых разработок . В сочетании с простым контролем dv/dt за счет изменения внешних резисторов в цепи затвора,  использование CoolSiC-приборов дает более низкую стоимость разработки высокопроизводительных силовых преобразователей .

С появлением технологии CoolSiC MOSFET компания Infineon открывает новую эру высокоэффективных преобразователей энергии в силовой электронике. Увеличение КПД  и повышение удельной мощности являются ключевыми тенденциями этих инноваций.. CoolSiC MOSFET обладают меньшими динамическими потерями (до 80% по сравнению с решениями на кремниевых IGBT), что позволяет инженерам разрабатывать более компактные и эффективные инверторы для солнечных батарей, ИБП и зарядные устройства, работающие на  более высоких частотах коммутации.

Infineon_XDPL8105_05_17

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

Наличие на складах
Наименование Наличие Цена
1EDN7512BXTSA1 (INFIN) 16 281 0.5501 $ 32.04 руб. от 909 шт
1EDN7512GXTMA1 (INFIN) 11 384 0.5141 $ 29.94 руб. от 973 шт
1EDN7512B (INFIN) 3 015 0.6565 $ 38.23 руб. от 3 000 шт
1EDN8511BXTSA1 (INFIN) 0
1EDI20I12MFXUMA1 (INFIN) 9 100 1.2316 $ 71.71 руб. от 2 500 шт
1EDI30I12MFXUMA1 (INFIN) 13 938 1.4318 $ 83.37 руб. от 2 500 шт
1EDI60I12AFXUMA1 (INFIN) 17 361 1.6795 $ 97.80 руб. от 2 500 шт
1EDI20N12AFXUMA1 (INFIN) 14 783 0.9723 $ 56.62 руб. от 2 500 шт
XDPL8105XUMA1 (INFIN) 5 426 1.2502 $ 72.79 руб. от 400 шт
XDPL8105 (INFIN) 2 515 1.5671 $ 91.25 руб. от 2 500 шт