Il carburo di silicio (SiC) è una tecnologia per dispositivi ben consolidata con chiari vantaggi rispetto alle tecnologie al silicio (Si), tra cui la supergiunzione Si (SJ) e i transistor bipolari a porta isolata (IGBT), nelle applicazioni ad alta tensione e ad alta frequenza di commutazione da 900 V a oltre 1200 V.
La recente introduzione dei prodotti MOSFET SiC 650 V ha ulteriormente ampliato l'uso del SiC sostituendo facilmente gli IGBT, eliminando la quota di applicazione Si SJ e offrendo un'alternativa al nitruro di gallio (GaN) nella gamma di media tensione.
Quando si sostituiscono dispositivi Si con il SiC o si progetta da zero con quest'ultimo, gli ingegneri devono considerare le diverse caratteristiche, capacità e vantaggi del SiC per garantire il successo. Ecco un elenco di suggerimenti di progettazione SiC degli esperti di alimentazione di Wolfspeed.
RDS(ON) - Variazione con temperatura
Un vantaggio principale del SiC è un basso valore RDS(ON) che cambia da 1,3× a 1,4× in un ampio intervallo di temperatura, mentre nei dispositivi Si o GaN, il valore RDS(ON) può raddoppiare o triplicare da quello nominale a 25ºC alle temperature di giunzione pratiche nella gamma da 120ºC a 140ºC (Figura 1). È quindi importante controllare attentamente la scheda tecnica e specificare il corretto valore I2R o della perdita di conduzione.
Figura 1: Un dispositivo Si o GaN 60 mΩ può essere caldo a >120 mΩ,
mentre un dispositivo SiC 90 mΩ sarebbe caldo a 120 mΩ.
Nessuna tensione di ginocchio
Gli IGBT sono ottimizzati per un punto di progetto termico alla massima corrente nominale. Sotto questo punto c'è la curva di tensione del "ginocchio" esponenziale VCE(sat) (Figura 2). Le caratteristiche VDS del MOSFET SiC sono lineari, offrendo una minore perdita di conduzione in qualsiasi punto inferiore alla piena corrente nominale.
Figura 2: Confronto tra IGBT 50 A e SiC 50 A
MOSFET nel modulo a Tj = 150°C. A corrente nominale di
un terzo, le perdite del SiC sono la metà rispetto a IGBT.
Ciò è particolarmente utile da tenere presente nella progettazione di trasmissioni EV, in cui il ciclo di azionamento è per lo più al di sotto della piena alimentazione nominale. Nell'uso in parallelo, la curva IGBT VCE(sat) intensifica il problema.
I progettisti devono quindi considerare attentamente dove si trova il loro punto di progettazione termica e il loro profilo di missione.
Frequenza di commutazione effettiva
La frequenza di commutazione effettiva (ESF) è definita come la frequenza massima in un'applicazione a commutazione fissa che un dispositivo può sostenere a IC100 nominale con un ciclo di funzionamento a onda quadra del 50% senza superare l'alimentazione massima dissipata specificata del dispositivo alla tensione di lavoro. O:
ESF = PDmax(1 — Ciclo di servizio)
ET
Dove:
PDmax è il valore di dissipazione massima dell'alimentazione,
Ciclo di servizio è 50% e
ET è l'energia di commutazione totale a 800 V, 175ºC, e la resistenza di gate specificata (Rg) nella scheda tecnica
L'ESF teorico di un MOSFET SiC Wolfspeed a 40 mΩ rispetto a un dispositivo Si a 40 mΩ è 10 volte maggiore. Mentre questo offre una panoramica delle capacità del SiC, il raffreddamento, i magneti e i costi pongono limiti pratici alla frequenza di commutazione.
I costi di raffreddamento aumentano, ma i costi di BoM passivi per induttori e condensatori diminuiscono con la frequenza di commutazione. Per gli IGBT, la frequenza ottimale è di circa 18 kHz, dove si intersecano le curve di raffreddamento e di risparmio passivo BoM. Per i MOSFET SiC, con le loro minori perdite di conduzione, quel punto dolce di compensazione dei costi è a circa 60 kHz (Figura 3).
Figura 3: L'ottimizzazione della frequenza prende in
considerazione i limiti pratici della frequenza di commutazione
dal raffreddamento e dai costi della BoM.
I progettisti devono tenere presente che esiste un limite alla minimizzazione degli induttori, in particolare se il sistema è legato alla rete. E mentre i dispositivi SiC sono di per sé più costosi degli IGBT, un design ottimizzato per la frequenza vede un risparmio di costi dal 20% al 25% a livello di sistema.
Ottimizzazione per le applicazioni
La cifra del merito (FoM, Figure of Merit) di un MOSFET è definita dall'equazione seguente. L'idea è che un più basso RDS(ON) indica meno perdite di conduzione, mentre una carica del gate inferiore, Qg, indica meno perdite di commutazione. Le perdite totali sono ridotte al minimo se il loro prodotto, FoM, è ridotto al minimo.
FoM = RDS(ON) x QG
Un esame della corrente di uscita e dell'alimentazione di uscita rispetto alle caratteristiche di frequenza di commutazione di due dei moduli di alimentazione a più alta densità di alimentazione di Wolfspeed rivela come i progettisti devono selezionare con attenzione il prodotto ottimale per la loro applicazione (Figura 4). Il modulo CAB450M12XM3 a 450 A è ottimizzato per un RDS(ON) molto basso, ma il modulo CAB400M12XM3 a 400 A è ottimizzato per FoM. Oltre i 15 kHz, il 400 A fornisce una corrente più elevata e una maggiore alimentazione.
Figura 4: per questo esempio, FSW è 15 kHz.
Dopo il punto di crossover, il CAB400M12XM3 può fornire
un amperaggio più alto rispetto a CAB450M12XM3.
Per un azionamento a motore tipicamente funzionante al di sotto dei 20 kHz, il modulo a più alto amperaggio è efficace, ma per gli inverter solari che commutano nella gamma da 48 kHz a 60 kHz, il modulo a 400 A è una scelta migliore.
VDS - Robustezza e derating
Il valore nominale degli IGBT è in genere 1,2 kV, con la tensione di scarica VDS vicina a 1,25 kV. I MOSFET SiC di Wolfspeed, pur essendo classificati a 1,2 kV, hanno tipicamente tensioni di guasto diverse centinaia di volt superiori. Nelle applicazioni aerospaziali, in cui i progettisti devono eseguire il derating per tenere conto degli effetti della radiazione cosmica, la robustezza del SiC offre un vantaggio.
Ripresa inversa
I progettisti potrebbero non prestarvi la stessa attenzione quando si utilizzano progetti a commutazione morbida o asimmetrici, ma il recupero inverso (Qrr) è importante per i progetti simmetrici, compresi i PFC buck, boost e totem-pole. Un MOSFET SiC a 650 V Wolfspeed avrebbe un Qrr di 11 nC per un tempo di recupero inverso, Trr, di 16 ns rispetto a un tipico MOSFET Si a 650 V che ha un Qrr di 13-µC per un Trr di 725 ns.
Pin sorgente Kelvin
Il pin sorgente Kelvin - una connessione Kelvin che è il più vicino possibile alla connessione della sorgente del dado del MOSFET - è usato per attenuare l'induttanza dovuta ai fili di collegamento interno dei MOSFET. Per mantenere l'elevato vantaggio di frequenza di commutazione dei dispositivi SiC, il pin sorgente Kelvin è fondamentale.
Anche il pin sorgente Kelvin influisce sulla perdita di commutazione. Ad esempio, presso IDS a 30A, la perdita totale di commutazione in un MOSFET SiC TO-247-3 SiC senza pin Kelvin e induttanza della sorgente 12-nH è vicina a 430 µJ (Figura 5). Lo stesso prodotto in un pacchetto TO-247-4 - con un pin sorgente Kelvin - ha solo 150 µJ di perdita di commutazione alla stessa IDS. Il passaggio a un pacchetto più piccolo come il TO-263-7 o il D2PAK-7 a montaggio superficiale riduce ulteriormente l'induttanza intrinseca della sorgente e le perdite.
Figura 5: Il pin sorgente Kelvin aiuta a evitare
l'induttanza nel loop del driver del gate
e riduce la perdita di energia di commutazione.
Considerazioni sul gate drive
Quando si guidano i MOSFET SiC, i progettisti devono ricordare che è necessario un azionamento del gate negativo per garantire una deviazione dura, a differenza di quanto avviene con il silicio, in cui un azionamento del gate positivo viene utilizzato per accendere il dispositivo. Altri fattori specifici del SiC da ricordare sono:
- • DV/dt più veloce e immunità ai transitori in modo comune (CMTI) di >100 kV/µs
- • Picco di tensione di lavoro continuo (VIORM) fino a 1,7 kV
- • Capacità di guida che è generalmente di alimentazione superiore e fino a 10 A
- • Ritardi di propagazione e tempo di disallineamento dei canali tipicamente <10>
- • Requisito attivo del morsetto Miller a causa delle velocità di commutazione più elevate e di una soglia leggermente inferiore a 2 V
- • Una rapida protezione contro i cortocircuiti grazie alle dimensioni più piccole dello stampo SiC (<1,8>
Oltre a questo, guidare dispositivi SiC è molto simile a guidare dispositivi basati su Si.
Gestione di EMI
Poiché le frequenze di commutazione di destinazione sono di solito più alte per i dispositivi SiC e i loro tempi di salita e discesa sono molto più brevi di quelli dei prodotti Si, gli ingegneri potrebbero essere inclini a credere che ciò causerebbe maggiori problemi di EMI.
Tuttavia, non vi è alcun effetto sul rumore a bassa frequenza o sulla dimensione del filtro EMI in modo differenziale richiesto rispetto al Si. Mentre c'è un effetto sul rumore di conduzione sul terminale d'ingresso, appare solo nella gamma dei megahertz. Questa EMI ad alta frequenza può essere attenuata, proprio come con i dispositivi basati sul Si, utilizzando materiale ad alta frequenza e condensatore per la soppressione delle EMI.
Un'ampia gamma di applicazioni
I dispositivi SiC sono utilizzati oggi in applicazioni che vanno da UPS a 200 kW, trasmissioni EV a 180 kW, e inverter solari a 10 kW fino a SMPS LED a 220 W, tutti progettati tenendo presente alcune considerazioni di progettazione SiC e i soliti principi di buona progettazione.