Rozwiązania SiC firmy Microchip do zastosowań wymagających dużej mocy

Węglik krzemu (SiC) to półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym, który pokonuje ograniczenia technologii Si dzięki zdolności do pracy przy wyższych napięciach, częstotliwościach i temperaturach. Ponad 10 lat po wprowadzeniu na rynek technologii SiC osiągnęła ona dojrzałość i niezawodność, które pozwalają na jej zastosowanie w najbardziej krytycznych aplikacjach energetycznych, takich jak motoryzacja, energia odnawialna, centra danych i lotnictwo.

Rozwiązania SiC firmy Microchip

Microchip Technology, wiodący dostawca inteligentnych i bezpiecznych, wbudowanych rozwiązań sterujących, oferuje najszerszą i najbardziej elastyczną ofertę komponentów w technologii SiC. Są to diody Schottky’ego (SBD – Schottky Barrier Diode), tranzystory MOSFET, konfigurowalne cyfrowe sterowniki bramek oraz gotowe moduły do obwodów przetwarzania zasilania. Moduły mogą być również dostosowywane przez firmę Microchip do specyficznych potrzeb aplikacji klienta.

Dzięki ponaddwudziestoletniemu doświadczeniu w projektowaniu i rozwoju technologii SiC, rozwiązania firmy Microchip oferują najlepszy poziom wydajności, solidności i niezawodności na rynku, pozwalając projektantom obniżyć zarówno koszty rozwoju, jak i czas wprowadzania aplikacji na rynek. Microchip oferuje również jedne z najlepszych czasów dostawy komponentów SiC w branży. Jest to możliwe dzięki pozyskiwaniu płytek krzemowych z wielu źródeł oraz dzięki podwójnym liniom produkcyjnym SiC.

Wytrzymałość tranzystorów MOSFET SiC firmy Microchip jest wzmocniona przez dopracowaną konstrukcję z technologią Unclamped Inductive Switching (UIS), która eliminuje potrzebę dodawania tłumika (snubber) w celu ochrony SiC MOSFET przed przepięciami. Kiedy prąd płynący przez indukcyjność zostaje nagle przerwany, pole magnetyczne indukuje przeciwną siłę elektromotoryczną, która może generować bardzo wysokie napięcia na samej strukturze MOSFET. Dlatego w przypadku urządzeń zasilających istotne jest osiągnięcie wysokiego stopnia wytrzymałości, rozumianego tutaj jako odporność na degradację SiC MOSFET pod wpływem UIS. W przeciwnym razie potrzebne są dodatkowe komponenty, aby chronić SiC MOSFET. Oprócz oferowania wytrzymałych urządzeń z UIS, tranzystory SiC MOSFET firmy Microchip oferują wydajność zwarciową podobną do IGBT, aby bezpiecznie przechodzić przez nieoczekiwane stany przejściowe systemu.

Aby sprostać wymaganiom aplikacji zasilających, które stosują wysokie częstotliwości przełączania i wysokie napięcia robocze w celu zwiększenia wydajności oraz zmniejszenia masy i rozmiaru rozwiązania (takich jak zelektryfikowany transport, energia odnawialna, lotnictwo i zastosowania przemysłowe), firma Microchip wprowadziła ostatnio na rynek tranzystory MOSFET SiC 3,3 kV, które charakteryzują się najniższym w branży współczynnikiem RDS(on) (do 25 mΩ) oraz tranzystory SBD SiC, które charakteryzują się najwyższym w branży prądem znamionowym (90 A).

Chociaż tranzystory IGBT 3,3 kV są obecnie używane w wielu zastosowaniach, ich prędkości przełączania są ograniczone, co skutkuje dużymi stratami przełączania i dużym rozmiarem systemu. Z drugiej strony zastosowanie tranzystorów MOSFET SiC 3,3 kV pozwala projektantom zmniejszyć straty, rozmiar i wagę rozwiązania i zredukuje złożoność systemu wielopoziomowego do prostych projektów 2-poziomowych, które mogą być realizowane w formie gotowego modułu.

SiC – zalety i zastosowania

W porównaniu z tradycyjnymi podzespołami mocy Si, takimi jak tranzystory MOSFET i IGBT, rozwiązania SiC firmy Microchip oferują następujące kluczowe korzyści:

• wyższa temperatura złącza i ulepszone chłodzenie,
• niższa wartosć RDS(on) i wyższa wydajność,
• 3× wyższa przewodność cieplna, co skutkuje większą gęstością mocy i wyższymi możliwościami prądowymi,
• 2× większa prędkość nasycenia elektronami, co skutkuje szybszym przełączaniem i redukcją rozmiaru (dodatkowo wyższa częstotliwość przełączania umożliwia zastosowanie mniejszych rdzeni, transformatorów, filtrów i elementów pasywnych,
• zmniejszając powierzchnię zajmowaną przez rozwiązanie),
• niższe straty przełączania,
• 10-krotnie niższy wskaźnik awaryjności w czasie niż porównywalne tranzystory IGBT przy napięciu znamionowym,
• ekstremalnie mała indukcyjność pasożytnicza <2,9 nH w modułach SiC.

Komponenty SiC można również łączyć z innymi produktami Microchipa, takimi jak mikrokontrolery, układy scalone do zarządzania energią, czujniki analogowe, bezprzewodowe nadajniki-odbiorniki oraz kontrolery dotykowe i sterowane gestami, aby tworzyć kompletne rozwiązania przy niższych kosztach. Typowe rynki i zastosowania, do których adresowane są produkty SiC firmy Microchip, to:

• Transport – wysoka wytrzymałość i napięcie robocze elementów SiC są niezbędne do tworzenia wydajnych falowników i przetworników napięcia, a także urządzeń zabezpieczających, stosowanych w pojazdach elektrycznych (samochody, autobusy, ciężarówki, kolej, łodzie, eVTOL i samoloty) oraz w elementach infrastruktury ładowania.
• Przemysł – wysoka częstotliwość przełączania, małe straty i doskonałe odprowadzanie ciepła sprawiają, że urządzenia SiC są idealnym rozwiązaniem do takich zastosowań, jak sterowanie silnikami, zasilacze impulsowe, zasilacze UPS, spawanie i nagrzewanie indukcyjne.
• Energia odnawialna – falowniki bazujące na SiC mogą być używane w zastosowaniach fotowoltaicznych oraz w turbinach wiatrowych w celu zmniejszenia strat mocy i zwiększenia wydajności.
• Medycyna – niezawodne, solidne i wydajne zasilacze są wymagane w urządzeniach diagnostycznych, takich jak MRI i RTG.
• Lotnictwo i obronność – właściwości SiC pozwalają urządzeniom zasilającym, bazującym na tej technologii, pracować przy wysokich napięciach i wysokich temperaturach bez uszkodzeń. Portfolio produktów SiC firmy Microchip obejmuje rodzinę bezpodstawnych modułów zasilających BL1, BL2 i BL3, które przeszły wiele testów walidacyjnych zgodnych ze standardem RTCA DO-160G i są teraz kwalifikowane do zastosowań w lotnictwie, w tym do dronów transportowych i ciężkich.

Porównanie zmian RDS(on) w zależności od temperatury w elementach Si i SiC jest dość znaczące. W tranzystorach MOSFET Si zależność temperaturowa RDS (on) (rysunek 1) nie zmienia się wraz z napięciem znamionowym urządzenia, ponieważ ruchliwość elektronów w tranzystorach MOSFET Si jest zdominowana przez rozpraszanie termiczne. W zakresie temperatur od 25°C do 150°C wartość RDS(on) wzrasta w stosunku około 2,7 do 1. Zamiast tego na rysunku 2 możemy zaobserwować ten sam typ krzywej, który odnosi się do urządzenia SiC 1200 V należącego do rodziny Microchip. W tym przypadku, w zakresie temperatur od 25°C do 175°C, wartość RDS(on) zwykle zmienia się ze stosunkiem między 1,5 a 1,8.

Rysunek 1. Charakterystyka RDS(on) w funkcji temperatury dla komponnetów Si MOSFET

Dlatego w porównaniu z Si jest to niemal charakterystyka płaska.

Cyfrowe programowalne sterowniki bramek

Aby sprostać krytycznym wyzwaniom, które mogą pojawić się podczas obsługi urządzeń zasilających SiC i IGBT przy wyższych częstotliwościach przełączania, firma Microchip zaprojektowała rodzinę konfigurowalnych sterowników bramek cyfrowych AgileSwitch. W szczególności tranzystory SiC MOSFET muszą być kontrolowane poprzez odpowiednie ustawienie parametrów sterowania bramki. W przeciwnym razie skoki napięcia, dzwonienie i zakłócenia elektromagnetyczne mogą spowodować trwałe uszkodzenie urządzenia.

Rysunek 2. Charakterystyka RDS(on) w funkcji temperatury dla komponentów SiC 1200 V

Sterowniki AgileSwitch pozwalają projektantom kontrolować, monitorować i chronić aplikacje bazujące na SiC za pomocą technologii Augmented Switching, zapewniającej ochronę do siedmiu krytycznych parametrów i w efekcie bezpieczną i niezawodną pracę. Microchip oferuje pełną gamę modułów i sterowników bramek wraz z płytkami sterowników bramek typu plug-and-play, które obsługują szeroką gamę modułów mocy SiC.

Fotografia 1. Dwukanałowy programowalny sterownik bramki AgileSwitch dla modułów SiC 1200 V

Na fotografii 1 pokazano dwukanałowy sterownik bramki AgileSwitch SiC dla modułów SiC 1200 V. Sterowniki bramek, które integrują technologię sterowania Augmented Switching, są wyposażone w solidne zabezpieczenie przeciwzwarciowe i są w pełni konfigurowalne programowo, zwłaszcza pod względem napięcia zasilania bramki ±VGS. Ponieważ urządzenia SiC mogą wytrzymać zwarcie przez znacznie skrócony czas (około 2...3 μs), konieczne jest przyjęcie odpowiednich parametrów zabezpieczenia zwarciowego dla sterownika bramki.

Fotografia 2. Zestaw rozwojowy ASDAK (bez modułu SiC)

W przeciwieństwie do konwencjonalnych analogowych sterowników bramek, cyfrowe sterowniki osiągają częstotliwość przełączania 200 kHz, są w pełni konfigurowalne programowo i zapobiegają awariom, zakłóceniom elektromagnetycznym (EMI), a także kontrolują przeregulowanie/niedoregulowanie w modułach mocy SiC i IGBT. Podłączony do płytki modułu cyfrowy sterownik bramki umożliwia projektantom szybką konfigurację modułu i sterownika bramki i w efekcie skrócenie czasu wprowadzenia na rynek.

Sterownik bramki pokazany na fotografii 1 zapewnia prąd szczytowy o wartości do 10 A i zawiera izolowaną przetwornicę DC/DC (z konfigurowalnym napięciem wyjściowym) oraz barierę izolacyjną o małęj pojemności dla sygnałów PWM i sprzężenia zwrotnego. Inteligentne narzędzie konfiguracyjne ICT (rysunek 3) to graficzny interfejs użytkownika, który umożliwia użytkownikom szybką konfigurację odpowiednich parametrów sterownika bramki bez potrzeby zmiany sprzętu.

Rysunek 3. Inteligentne narzędzie konfiguracyjne ICT z graficznym interfejsem użytkownika

Konfigurowalne funkcje obejmują włączanie i wyłączanie rozszerzonego przełączania, konfigurację napięcia bramek ±VGS (VGS dodatnie od 15 V do 21 V, VGS ujemne od –5 V do 0 V), blokadę pod- i nadnapęciową zasilania, ustawienia wykrywania desaturacji, czas martwy, blokadę błędu i resetowanie ustawień.

Narzędzia i zestawy rozwojowe

Portfolio komponentów w technologii SiC firmy Microchip jest wspierane przez szeroką bazę modeli SiC SPICE zgodnych z analogowymi modułami symulatora MPLAB Mindi i projektami referencyjnymi płyt sterowniczych. Ponadto narzędzie Intelligent Configuration Tool (ICT) umożliwia projektantom ustawienie odpowiednich parametrów sterownika bramki SiC w konfigurowalnych cyfrowych sterownikach AgileSwitch. Interfejs ICT (rysunek 3) umożliwia projektantom konfigurowanie kilku parametrów sterownika bramki, w tym profili przełączania, monitorów krytycznych dla systemu oraz ustawień interfejsu kontrolera. Nowe urządzenia można szybko i łatwo rekonfigurować, zmieniając ustawienia sterownika w laboratorium lub w terenie bez konieczności lutowania. Rezultatem jest sterownik bramki dostosowany i zoptymalizowany pod kątem wymagań aplikacji bez ingerencji w sprzęcie.

Fotografia 3. Zestaw rozwojowy ASDAK+ (z modułem SiC)

Aby jeszcze bardziej przyspieszyć wprowadzanie produktów na rynek, zestawy rozwojowe ASDAK (bez modułu SiC) i ASDAK+ (z modułem SiC) zawierają elementy sprzętowe i programowe wymagane do optymalizacji wydajności modułów i systemów zasilających SiC i mogą zaoszczędzić projektantom od około trzech do sześciu miesięcy czasu opracowywania nowych projektów.

Perry Schugart,
Technical Staff Engineer w dziale marketingu
produktów w firmie Microchip Technology