El carburo de silicio (SiC) es una tecnología de dispositivos bien establecida que cuenta con ventajas claras por sobre las tecnologías de silicio (Si), incluyendo la superunión (SJ) de Si y los transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT), en las aplicaciones de alta tensión de 900 V a más de 1200 V y de alta frecuencia de conmutación.
La reciente introducción de los productos MOSFET de SiC de 650 V ha ampliado aún más el uso del SiC, ya que reemplaza fácilmente a los IGBT, con lo cual se ha apropiado de parte de la presencia de aplicaciones de superunión de Si y puede ofrecer una alternativa al nitruro de galio (GaN) en el rango de tensión media.
Cuando se reemplazan dispositivos de Si con SiC, o se diseñan nuevamente con este último, los ingenieros deben tomar en consideración las diferentes características, capacidades y ventajas del SiC para tener éxito. Esta es una lista de consejos de diseño de SiC que nos entregan los expertos en energía de Wolfspeed.
Variación deRDS(ON) con temperatura
Una ventaja clave del SiC es una RDS(ON) con una variación tan baja como 1,3 veces a 1,4 veces en un amplio rango de temperatura, mientras que en dispositivos de Si o GaN, la RDS(ON) puede ser el doble o el triple de la determinada nominal a 25 ºC para las temperaturas de ensambladura práctica en el rango de 120 ºC a 140 ºC (Figura 1). Por lo tanto, es importante revisar detenidamente la hoja de datos y especificar la I2R o pérdida de conducción correctas.
Figura 1: Un dispositivo de Si o GaN de 60 mΩ podría tener una temperatura de >120 mΩ,
mientras que un dispositivo de SiC de 90 mΩ tendría una temperatura de 120 mΩ.
Sin tensión de rodilla
Los IGBT están optimizados para un punto de diseño térmico a la corriente nominal total. Por debajo de ese punto, se encuentra la curva de tensión exponencial "de rodilla" VCE(sat) (Figura 2). Las características VDS de los MOSFET de SiC son lineares, lo cual ofrece una menor pérdida de conducción en cualquier punto por debajo de la corriente nominal total.
Figura 2: Comparación de un IGBT de 50 A con un SiC de 50 A
MOSFET en módulo a Tj = 150 °C. A un tercio de la corriente
nominal, las pérdidas del SiC son la mitad de las del IGBT.
Es particularmente útil tener esto en cuenta al diseñar transmisiones para vehículos eléctricos, en los cuales el ciclo de transmisión se encuentra, en su mayoría, por debajo de la potencia nominal total. Cuando se usa en paralelo, la curva de VCE(sat) del IGBT exacerba el problema.
Por lo tanto, los diseñadores deben considerar detenidamente la ubicación de su punto de diseño térmico y el perfil de su misión.
Frecuencia de conmutación eficaz
La frecuencia de conmutación eficaz (ESF) se define como la frecuencia máxima en una aplicación de conmutación dura que un dispositivo puede mantener al IC100 nominal con un ciclo de trabajo de onda cuadrada del 50 % sin exceder la disipación de energía máxima específica del dispositivo a la tensión de funcionamiento. O:
ESF = PDmáx(1 — Ciclo de trabajo)
ET
Donde:
PDmáx el valor de la disipación de energía máxima,
el ciclo de trabajo es el 50 % y
ET es la energía de conmutación total a 800 V, 175 ºC y la resistencia de compuerta especificada (Rg) en la hoja de datos.
La ESF teórica de un MOSFET de SiC de Wolfspeed de 40 mΩ comparada con la de un dispositivo de Si de 40 mΩ es 10 veces mayor. Si bien esto nos ofrece un adelanto de las capacidades de SiC, el enfriamiento, los magnetos y el costo ponen límites prácticos a la frecuencia de conmutación.
Los costos de enfriamiento aumentan, pero los costos de la lista de materiales pasivos de los inductores y capacitores disminuyen con la frecuencia de conmutación. Para los IGBT, la frecuencia óptima es de alrededor de 18 kHz, donde las curvas de ahorro en enfriamiento y en la lista de materiales pasivos se intersecan. Para los MOSFET de SiC, con sus menores pérdidas de conducción, ese punto ideal de compensación de costos es a alrededor de 60 kHz (Figura 3).
Figura 3: La optimización de la frecuencia toma en cuenta
los límites prácticos para la frecuencia de conmutación,
a partir de los costos de enfriamiento y lista de materiales.
Los diseñadores deben tener en cuenta que hay un límite para la minimización de los inductores, en particular si el sistema está conectado a la red. Y si bien los dispositivos de SiC en sí son más caros que los IGBT, un diseño de frecuencia optimizado logra un ahorro de un 20 % a un 25 % en los costos a nivel del sistema.
Optimización para aplicaciones
La figura de mérito (FoM) para un MOSFET se define a partir de la ecuación a continuación. La idea detrás de ello es que un RDS(ON) más bajo significa menos pérdidas de conducción, mientras que una menor carga de compuerta, Qg, significa menos pérdidas de conmutación. Las pérdidas totales se minimizan si su producto, FoM, se minimiza.
FoM = RDS(ON) x QG
Un examen de la corriente de salida y la potencia de salida en comparación con las características de frecuencia de conmutación de dos de los módulos de potencia de densidad energética más alta de Wolfspeed revela que cuidados deben tener los diseñadores deben al seleccionar el producto óptimo para su aplicación (Figura 4). El módulo CAB450M12XM3 de 450 A está optimizado para un RDS(ON) muy bajo, pero el módulo CAB400M12XM3 de 400 A está optimizado para la FoM. A más de 15 kHz, el de 400 A entrega una mayor corriente y una potencia más alta.
Figura 4: Para este ejemplo hipotético, FSW es 15 kHz.
Luego del punto de cruce, el CAB400M12XM3 puede entregar
un amperaje más alto que el CAB450M12XM3.
Para un controlador de motor que por lo general funciona a menos de 20 kHz, el módulo de amperaje alto es eficaz, pero para inversores de potencia solar con conmutaciones en el rango de 48 kHz a 60 kHz, el módulo de 400 A es una mejor opción.
Resistencia y reducción de la clasificaciones deVDS
Por lo general, los IGBT tienen una clasificación de 1,2 kV, con tensiones de ruptura de VDS cercanas a 1,25 kV. Los MOSFET de SiC de Wolfspeed, si bien tienen una clasificación de 1,2 kV, por lo general tienen tensiones de ruptura que son muchos cientos de voltios más altas. En aplicaciones aeroespaciales, en que los diseñadores deben reducir las clasificaciones para considerar los efectos de la radiación cósmica, la resistencia del SiC ofrece una ventaja.
Recuperación inversa
Puede que los diseñadores no le presten mucha atención cuando realizan conmutaciones suaves o utilizan diseños asimétricos, pero la recuperación inversa (Qrr) es importante para los diseños simétricos, como los PFC de buck, boost y totem-pole. Un MOSFET de SiC de 650 V de Wolfspeed tendría un Qrr de 11 nC para un tiempo de recuperación inversa, Trr, de 16 ns, en comparación con un MOSFET de Si de 650 V típico, que tiene un Qrr de 13 µC, para un Trr de 725 ns.
Pin de origen Kelvin
El pin de origen Kelvin (una conexión Kelvin que se encuentra tan cerca como es posible del dado del MOSFET) se usa para mitigar la inductancia a causa de los cables internos de los MOSFET. Para mantener la ventaja de la alta frecuencia de conmutación de los dispositivos de SiC, el pin de origen Kelvin es fundamental.
El pin de origen Kelvin también afecta la pérdida de conmutación. Por ejemplo, a un IDS de 30 A, la pérdida de conmutación total en un MOSFET de SiC TO-247-3 sin un pin Kelvin y una inductancia de origen de 12 nH es cercana a los 430 µJ (Figura 5). El mismo producto en un paquete TO-247-4 (con un pin de origen Kelvin) tiene una pérdida de conmutación de tan solo 150 µJ al mismo IDS. Cambiarse a un paquete más pequeño, como el TO-263-7 o el D2PAK-7 de montaje en superficie, reduce aún más la inductancia de origen inherente y las pérdidas.
Figura 5: El pin de origen Kelvin permite evitar
la inductancia en el bucle del controlador de compuerta
y reduce la pérdida de energía de conmutación.
Consideraciones del controlador de compuerta
Al controlar MOSFET de SiC, los diseñadores deben recordar que se necesita un controlador de compuerta negativa para garantizar un apagado forzado, a diferencia del silicio, en el cual se utiliza un controlador de compuerta positiva para encender el dispositivo. Otros factores específicos del SiC que se deben recordar incluyen los siguientes:
- • Inmunidad transitoria de modo común (CMTI) de dv/dt y nominal más rápida, de >100 kV/µs.
- • Tensión de trabajo continuo máxima (VIORM) de hasta 1,7 kV.
- • Capacidad de control que es, por lo general, de mayor potencia y de hasta 10 A.
- • El tiempo típico de retrasos de propagación y discordancia de canales es <>
- • Requisito activo de pinza Miller debido a mayores velocidades de conmutación y un umbral ligeramente más bajo a 2 V.
- • Una rápida protección de cortocircuitos gracias a un menor tamaño del dado del SiC (<>
Más allá de esto, controlar dispositivos de SiC es muy similar a controlar dispositivos a base de Si.
Cómo tratar con EMI
Debido a que las frecuencias de conmutación objetivo son comúnmente más altas para los dispositivos de SiC, y sus tiempos de ascenso y caída son mucho más breves que los de los productos de Si, los ingenieros podrían tender a creer que esto causaría mayores problemas de EMI.
Sin embargo, no hay ningún efecto en el ruido de baja frecuencia o en el tamaño del filtro EMI de modo diferencial necesario en comparación con el Si. Si bien existe un efecto en el ruido del modo de conducción en el terminal de entrada, este es solo en el rango de megahertz. Este EMI de alta frecuencia puede atenuarse, al igual que con dispositivos a base de Si, mediante el uso de material y capacitor de alta frecuencia para la supresión de EMI.
Una amplia gama de aplicaciones
Hoy en día, los dispositivos de SiC se utilizan en aplicaciones que van desde suministros de energía ininterrumpida (UPS) de 200 kW, transmisiones de vehículos eléctricos de 180 kW e inversores solares de 10 kW, hasta suministros de energía de modo conmutado (SMPS) LED de 220 W, todo diseñado teniendo en cuenta unas pocas consideraciones de diseño de SiC y los principios de diseño recomendados usuales.