Эксперименты с карбидом кремния (SiC): замедление переключения SiC-MOSFET

На этот раз рассказываю про карбид кремния (SiC) и свои разработки и эксперименты с ним.
Из статьи вы узнаете особенности применения карбид-кремниевых MOSFET-транзисторов и диодов, как выбрать элемент и сравнение с кремниевыми (Si) приборами, и, самое главное результаты моих экспериментов и исследований в замедлении переключения SiC-транзисторов, проведённых на моей недавней разработке – источнике питания для солнечной энергетики.

Под катом немного аналитики и практики в области силовой электроники – добро пожаловать.

Карбид кремния

Карбид кремния – широкозонный полупроводниковый материал, используемый при производстве диодов, транзисторов и тиристоров. В мою практику разработчика силовой электроники карбид кремния вошёл уже очень давно. Ещё около десяти лет назад прочитал статью от Infineon о том, что применение SiC-диода в корректоре коэффициента мощности (ККМ) может существенно повысить КПД преобразователя. Применил. И даже сравнил с кремниевым диодом – действительно, выигрыш оказался весьма существенным. С тех пор применял SiC диоды и транзисторы во многих разработках.

Рассмотрим, какие преимущества имеют SiC MOSFET-транзисторы по сравнению с кремниевыми:

• меньшие входная (C_iss) и выходная (C_oss) ёмкости и соответственно более высокая скорость переключения, что приводит к уменьшению динамических потерь на переключение;
• меньше заряд затвора Q_g, соответственно меньшие потери на управление;
• ниже сопротивление открытого канала R_DSon, что обеспечивает уменьшение статических потерь (потери проводимости);
• не такая сильная зависимость R_DSon от температуры;
• низкий заряд обратного восстановления паразитного диода;
• более высокая рабочая температура.

Для того, чтобы не быть голословным предлагаю сравнить по параметрам карбид кремниевый транзистор с подобными на основе Si. Для сравнения я выбрал SiC MOSFET производства Wolfspeed (Cree) (C3M0060065K), а также пару транзисторов от Infineon семейств C7 (IPW65R065C7) и CFD7 (IPW60R070CFD7). Эти транзисторы выбраны из топовых семейств, так как они могут как-то тягаться по электрическим параметрам с карбидом кремния.

Глядя на это сравнение можно сказать, что карбид кремния по всем параметрам (кроме цены) превосходит кремниевые транзисторы. Несколько слов про сопротивление канала R_DSon. Действительно, этот параметр у выбранных Si транзисторов немного ниже для нормальных условий, однако это с лихвой компенсируется очень сильной зависимостью R_DSon от температуры.

На следующей картинке показаны данные зависимости для двух транзисторов. Видно, что при температуре 100ºС (поставил точки на графиках) превышение для карбида кремния составляет всего 10%, а для кремниевого транзистора 65%.

Мощные полупроводники никогда не работают при комнатной температуре, а влияние температуры кристалла на прямое сопротивление канала может быть весьма существенным. Эту особенность нужно всегда учитывать при расчёте статических потерь и выборе транзисторов. По графику видно, что даже при температуре 75ºС при вычислении эффективного значения R_DSon для кремния нужно применять поправочный коэффициент 1,4.

Мы рассмотрели преимущества карбида кремния, что же с обратной стороны медали?

Что вас может остановить от применения SiC-MOSFET?

Цена. Хоть выше и приводится сравнение цен, это подборка более-менее равнозначных ПП приборов (скажем так, top-класса). А задачу можно решить и более дешёвыми транзисторами. Например, NTHL095N65S3HF – обычный кремниевый транзистор от ONsemi, 650В, 36А, стоит всего 4,86$, а в партии 100шт и того дешевле – 3,3$. Ничего, что сопротивление канала чуть выше, свою задачу он выполнит, просто будет меньше КПД преобразователя. При особом желании можно найти транзистор хорошего китайского производителя за 2,5$.

Очень быстрое переключение. С одной стороны, это плюс – уменьшаются динамические потери. Но с другой – минус, бОльшие значения dV/dt приводят к увеличению уровня помех как кондуктивных, так и излучаемых. А ведь сертификацию и тесты на ЭМС никто не отменял.

Необходимость двуполярного управления затвором (активное запирание). Да, сейчас появляются SiC-транзисторы, где в ДШ прописано, что это не требуется. Но, честно говоря, для жёстких industrial-применений я бы так делать не стал.

Отсутствие норм на лавинный пробой. Честно говоря, этот факт стал для меня сюрпризом. Действительно, данные нормы (avalanche rating) для SiC-транзисторов отсутствуют в ДШ. Основные вендоры «тактично» отмалчиваются, правда на сайте ROHM Semiconductor мне удалось найти вот это .

После прочтения независимых исследований по лавинному пробою карбида кремния стало понятно, что это настоящая кротовая нора и, пожалуй, обзор этой темы выходит за рамки данной статьи. Единственное, что можно отметить, оказалось, что напряжение лавинного пробоя SiC-MOSFET существенно (в 1,5-1,8 раза) выше чем граничное напряжение сток-исток.

Немного про карбид-кремниевые диоды

SiC-диоды находят широкое применение в корректорах коэффициента мощности (ККМ, PFC). ККМ это почти всегда повышающий (boost) преобразователь, соответственно жёсткая коммутация и большой размах напряжения. Диод с малым временем обратного восстановления здесь идеален. Особенно для режима непрерывного тока (DCM), когда коммутация происходит под током.

Если раньше, когда цена карбид-кремниевых диодов была сравнительно высока, могли быть какие-то варианты, то теперь без сомнений ставьте в ККМ только эти прекрасные диоды.

Также можно найти и иные применения, например, высоковольтные выпрямители.

Исследование процесса переключения SiC-MOSFET

Планируя разработку источника питания со входным напряжением до 1500В, я заранее начал изучать особенности применения карбид-кремниевых транзисторов. Особенно меня интересовали вопросы критических значений скорости нарастания напряжения сток-исток (dV/dt), а также методы замедления переключения. Ответы на эти вопросы удалось получить на вебинаре одного из дистрибьюторов:

После того, как была собрана и отлажена первая итерация преобразователя, я решил провести исследования возможности замедлить процесс переключения. Преобразователь выполнен по полумостовой топологии, мощность 100 Вт, напряжение питания 750В, управление транзисторами сделано по следующей схеме:

При увеличении сопротивления затворных резисторов (R2, R3), измерялись значения длительности фронтов переключения, а также КПД всего преобразователя. Честно говоря, я ожидал, что при затягивании фронтов динамические потери будут расти, а КПД падать. В реальности получилось иначе – изменения КПД были не существенными. Точнее, при измерении с использованием амперметра, встроенного в источник питания разница была не заметна из-за низкого разрешения данного измерителя. Понял свою ошибку и измерил заново уже с использованием более точного амперметра.

В крайних точках получил следующие значения:

• при затворных сопротивлениях 5,6 Ом КПД равен 85,0%;
• при затворных сопротивлениях 330 Ом КПД равен 84,46%.

Таким образом добавочная мощность получилась около 0,5 Вт. Можно предположить, что это следствие увеличения только динамических потерь. Даже в таком случае, делим на два транзистора и получаем по 0,25 Вт прибавки мощности рассеивания на один ключ. Не сказал бы, что это много. К тому же, 330 Ом в затворе – это совершенно невозможное значение! Ставить такие резисторы честно говоря было страшно (разработчики силовухи меня поймут) и удивляюсь, как источник со входным напряжением 750В при этом не сгорел. Но, как говорится, чего не сделаешь ради кликбейта науки.

Осциллограммы напряжения сток-исток нижнего ключа при затворных резисторах 5,6 Ом:

Осциллограммы напряжения сток-исток нижнего ключа при затворных резисторах 220 Ом:

Зависимость времён переключения от величины затворных резисторов:

Конечно мне было очень интересно, что происходит на затворе при затворном резисторе 330 Ом. Полка Миллера оказалась не такой уж огромной:

Заключение

Напоминаю, что объектом исследования был источник питания мощностью 100 Вт, входное напряжение 200-750 В (постоянное). Выходное напряжение 24В. Топология – полумост. Силовые транзисторы C2M1000170D (карбид кремния).

Итак, самая высокая полученная скорость нарастания напряжения на стоке 18 В/нс, что существенно ниже предельных значений dV/dt 100-150 В/нс.

Важный вывод, который можно сделать из этих исследований – затягивание фронтов переключения карбид-кремниевых транзисторов с помощью увеличения затворных резисторов не особо эффективно. По моему мнению, в реальной разработке можно позволить себе установить затворный резистор 22 Ом, ну, возможно в некоторых случаях 47 Ом. Из результатов исследования видно, что при таких значениях существенного затягивания фронтов не происходит.

Насчёт применения карбид-кремниевых полупроводников — SiC диоды мастхэв в любом PFC (если нет уж совсем жёстких таргетов по цене), что касается транзисторов, я для себя вывел несколько условий, при которых следует их применять:

• высокое входное напряжение преобразователя (500-1500В);
• повышенная температура окружающей среды или плохие условия охлаждения;
• требуется повышенная компактность решения (соответственно, выбираем более высокую частоту);
• требуется высокая эффективность;
• хочется почувствовать себя крутым попробовать новые технологии силовой электроники.

Можете воспользоваться моими рекомендациями или придумать свои. В любом случае — пусть ваши разработки будут эффективными и надёжными! И, до новых встреч.

Power is cool — deal with it.

Автор: power-link

Источник