A partir del artículo, aprenderá las características del uso de transistores y diodos MOSFET de carburo de silicio, cómo elegir un elemento y una comparación con dispositivos de silicio (Si) y, lo más importante, los resultados de mis experimentos e investigaciones para ralentizar el conmutación de transistores de SiC, realizada en mi desarrollo reciente: la fuente de suministro de energía solar.
Debajo del corte un poco de análisis y práctica en el campo de la electrónica de potencia - bienvenido.
Carburo de silicio
El carburo de silicio es un material semiconductor de amplio espacio que se utiliza en la fabricación de diodos, transistores y tiristores. El carburo de silicio entró en mi práctica como desarrollador de electrónica de potencia durante mucho tiempo. Hace unos diez años leí un artículo de Infineon que el uso de un diodo SiC en un corrector de factor de potencia (PFC) puede aumentar significativamente la eficiencia del convertidor. Aplicado. E incluso lo comparó con un diodo de silicio; de hecho, la ganancia resultó ser muy significativa. Desde entonces, he aplicado diodos y transistores SiC en muchos diseños.
Veamos qué ventajas tienen los MOSFET de SiC sobre los de silicio:
- (Ciss) (Coss) , ;
- Qg, ;
- RDSon, ( );
- RDSon ;
- ;
- .
Para no ser infundado, propongo comparar los parámetros de un transistor de carburo de silicio con otros similares basados en Si. Para comparar, elegí un MOSFET Wolfspeed (Cree) SiC (C3M0060065K), así como un par de transistores Infineon de las familias C7 (IPW65R065C7) y CFD7 (IPW60R070CFD7). Estos transistores se seleccionan de las mejores familias, ya que de alguna manera pueden competir en parámetros eléctricos con el carburo de silicio.
Al observar esta comparación, podemos decir que el carburo de silicio es superior a los transistores de silicio en todos los aspectos (excepto en el precio). Algunas palabras sobre la resistencia del canal R DSon . De hecho, este parámetro para los transistores de Si seleccionados es ligeramente más bajo para condiciones normales, pero esto está más que compensado por la fuerte dependencia de la temperatura de R DSon .
La siguiente imagen muestra los datos de dependencia para dos transistores. Se puede ver que a una temperatura de 100 ° C (pongo puntos en los gráficos) el exceso para el carburo de silicio es solo del 10% y para un transistor de silicio del 65%.
Los semiconductores de potencia nunca funcionan a temperatura ambiente y el efecto de la temperatura del cristal en la resistencia del canal delantero puede ser bastante significativo. Esta característica siempre debe tenerse en cuenta al calcular las pérdidas estáticas y elegir transistores. El gráfico muestra que incluso a una temperatura de 75 ° C, al calcular el valor efectivo de R DSon para el silicio, se debe aplicar un factor de corrección de 1,4.
Analizamos los beneficios del carburo de silicio, ¿cuál es la otra cara de la moneda?
¿Qué puede impedirle utilizar un SiC-MOSFET?
Precio. Aunque lo anterior es una comparación de precios, esta es una selección de dispositivos PP más o menos equivalentes (digamos, de primera clase). Y el problema se puede resolver con transistores más baratos. Por ejemplo, NTHL095N65S3HF: un transistor de silicio ordinario de ONsemi, 650V, 36A, cuesta solo $ 4.86, y en un lote de 100 piezas es incluso más barato: $ 3.3. Está bien que la resistencia del canal sea un poco más alta, cumplirá con su tarea, simplemente será menor que la eficiencia del convertidor. Con un deseo especial, puede encontrar un transistor de un buen fabricante chino por $ 2.5.
Cambio muy rápido. Por un lado, esto es una ventaja: se reducen las pérdidas dinámicas. Pero, por otro lado, menos, los valores altos de dV / dt conducen a un aumento en el nivel de interferencia, tanto conducida como radiada. Pero nadie canceló la certificación y las pruebas de EMC.
La necesidad de un control de puerta bipolar (bloqueo activo). Sí, ahora están apareciendo transistores de SiC, donde el DS dice que esto no es necesario. Pero para ser honesto, no haría eso para aplicaciones industriales duras.
Falta de estándares para la avería de avalanchas. Para ser honesto, este hecho me sorprendió. De hecho, estos estándares (clasificación de avalancha) para transistores de SiC están ausentes en DS. Los principales proveedores son "discretamente" silenciosos, aunque logré encontrar esto en el sitio web de ROHM Semiconductor .
Después de leer estudios independientes sobre la degradación por avalanchas de carburo de silicio, quedó claro que se trata de un verdadero agujero de gusano y, tal vez, una revisión de este tema está más allá del alcance de este artículo. Lo único que se puede notar es que el voltaje de la ruptura por avalancha del SiC-MOSFET es significativamente (1.5-1.8 veces) más alto que el voltaje de la fuente de drenaje límite.
Un poco sobre los diodos de carburo de silicio
Los diodos SiC se utilizan ampliamente en correctores de factor de potencia (PFC, PFC). KKM es casi siempre un convertidor elevador, respectivamente, conmutación dura y gran oscilación de voltaje. Un diodo de recuperación inversa rápida es ideal aquí. Especialmente para el modo de corriente continua (CCM) cuando la conmutación está energizada.
Si antes, cuando el precio de los diodos de carburo de silicio era relativamente alto, podía haber algunas opciones, ahora, sin duda, poner solo estos excelentes diodos en el KKM.
También se pueden encontrar otras aplicaciones, como rectificadores de alto voltaje.
Estudio del proceso de conmutación SiC-MOSFET
Al planificar el desarrollo de una fuente de alimentación con un voltaje de entrada de hasta 1500 V, comencé a estudiar de antemano las características del uso de transistores de carburo de silicio. Estaba especialmente interesado en los valores críticos de la tasa de aumento del voltaje de la fuente de drenaje (dV / dt), así como en los métodos para ralentizar la conmutación. Logramos obtener respuestas a estas preguntas en el webinar de uno de los distribuidores:
Después de construir y depurar la primera iteración del convertidor, decidí investigar un poco la posibilidad de ralentizar el proceso de conmutación. El convertidor se realiza en una topología de medio puente, la potencia es de 100 W, la tensión de alimentación es de 750 V, el control del transistor se realiza de acuerdo con el siguiente esquema:
Con un aumento en la resistencia de las resistencias de puerta (R2, R3), se midieron los valores de la duración de los bordes de conmutación, así como la eficiencia de todo el convertidor. Para ser honesto, esperaba que cuando se ajustaran los frentes, las pérdidas dinámicas aumentarían y la eficiencia disminuiría. En realidad, resultó diferente: los cambios en la eficiencia no fueron significativos. Más precisamente, cuando se midió con un amperímetro integrado en la fuente de alimentación, la diferencia no se notó debido a la baja resolución de este medidor. Me di cuenta de mi error y lo volví a medir con un amperímetro más preciso.
En los puntos extremos, obtuve los siguientes valores:
- con una resistencia de puerta de 5,6 ohmios, la eficiencia es del 85,0%;
- con una resistencia de puerta de 330 ohmios, la eficiencia es del 84,46%.
Por tanto, la potencia adicional es de unos 0,5 W. Se puede suponer que esto es una consecuencia de un aumento de las pérdidas dinámicas únicamente. Incluso en este caso, dividimos entre dos transistores y obtenemos 0,25 W de disipación de potencia adicional por interruptor. No diría que esto es mucho. Además, ¡330 ohmios en la puerta es un valor totalmente imposible! Para ser honesto, me dio miedo instalar tales resistencias (los desarrolladores de la fuente de alimentación me entenderán) y me pregunto cómo no se quemó la fuente con un voltaje de entrada de 750 V. Pero, como dicen, ¿qué no se puede hacer por el bien del
Oscilogramas del voltaje de la fuente de drenaje de la tecla inferior con resistencias de compuerta de 5.6 Ohm:
Oscilogramas de la tensión de drenaje-fuente de la tecla inferior con resistencias de puerta 220 Ohm:
Tiempos de conmutación frente a valores de resistencia de puerta:
Por supuesto, estaba muy interesado en lo que sucede en la puerta con una resistencia de puerta de 330 ohmios. El estante de Miller no era tan grande:
Conclusión
Permítanme recordarles que el objeto del estudio fue una fuente de alimentación de 100 W con un voltaje de entrada de 200-750 V (CC). Voltaje de salida 24V. Topología - medio puente. Transistores de potencia C2M1000170D (carburo de silicio).
Por lo tanto, la velocidad de variación de voltaje más alta obtenida en el drenaje es de 18 V / ns, que es significativamente más baja que los valores límite de dV / dt 100-150 V / ns.
Una conclusión importante que se puede extraer de estos estudios es que retrasar los frentes de conmutación de los transistores de carburo de silicio aumentando las resistencias de puerta no es particularmente eficaz. En mi opinión, en un diseño real, puede permitirse instalar una resistencia de compuerta de 22 ohmios, tal vez 47 ohmios en algunos casos. Se puede ver en los resultados del estudio que a tales valores, no hay un arrastre significativo de los frentes.
Con respecto al uso de semiconductores de carburo de silicio - diodos imprescindibles de SiC en cualquier PFC (si no hay objetivos de precio realmente estrictos), en cuanto a los transistores, he deducido por mí mismo varias condiciones bajo las cuales deben usarse:
- alto voltaje de entrada del convertidor (500-1500V);
- temperatura ambiente elevada o malas condiciones de enfriamiento;
- se requiere una mayor compacidad de la solución (en consecuencia, elegimos una frecuencia más alta);
- se requiere alta eficiencia;
- Quiero
sentirme genialpara probar nuevas tecnologías de electrónica de potencia.
Puede usar mis recomendaciones o crear las suyas propias. En cualquier caso, ¡deje que sus desarrollos sean eficientes y fiables! Y, hasta que nos volvamos a encontrar.
El poder es genial, hazlo.