A Microchip SiC-megoldásai kiterjesztik a nagy teljesítményű alkalmazások határait
Megjelent: 2023. május 09.
A villamosenergia előállítása terheli környezetünket, a felhasználására viszont egyre nő az igény. A dilemma feloldásában segítenek a nagy teljesítményeket gazdaságosan kezelő félvezetős kapcsolók, amelyeken belül egyre hangsúlyosabb a szilíciumkarbid alapanyag térhódítása. A SiC témáját körüljáró sorozatunk ezúttal az új alkalmazások fejlesztését sürgető piaci nyomásra válaszoló megoldásokat helyezi a fókuszba.
A teljesítménykapcsoló eszközök iránti igény állandó növekedésének az olyan innovatív ágazatok által keltett érdeklődés a hajtóereje, mint az e-mobilitás, a megújuló energiák hasznosítása, vagy az adatközpontok energiaellátó rendszerei. A teljesítményelektronikai alkalmazásoknak napjainkban egyre szigorúbb követelményeknek kell megfelelniük, köztük mindenekelőtt a magasabb hatásfok elérésének útján az energiaveszteségek következetes csökkentésével, de a méret és a súly lefaragása is hasonló fontosságú. Az évek óta folyamatosan fejlesztett és javított, hagyományos szilíciumalapú MOSFET-ek és IGBT-k korlátai már megmutatkoztak azokban a teljesítményelektronikai alkalmazásokban, amelyekben magasabb kapcsolási frekvenciára, nagyobb hődisszipációs képességre, csökkentett súlyra és kisebb helyfoglalásra van szükség. A szilíciumkarbid (SiC) egy széles tiltott sávval rendelkező félvezetőanyag, amely azáltal képes meghaladni a Si-technológia határait, hogy magasabb feszültségszinten, kapcsolási frekvencián és hőmérsékleten használható károsodás nélkül. Több mint 10 évvel a piaci bevezetése után a SiC mostanra elérte a technológiai érettségnek és megbízhatóságnak azt a szintjét, amely az olyan legkritikusabb teljesítményelektronikai alkalmazásokban is lehetővé teszi a használatát, mint az automotív ipar, a megújuló energiák hasznosítása, az adatközpontok tápegységei vagy a repülés és űrtechnika.
A Microchip SiC-megoldásai
A Microchip Technology – mint az okos, kommunikálni képes és biztonságos beágyazott vezérlési megoldások vezető félvezetőgyártója – az iparág legszélesebb és leginkább rugalmas termékválasztékát kínálja a SiC Schottky-diódák (SBD), MOSFET-ek és konfigurálható digitális kapumeghajtók terén, csipkivitelben, diszkrét alkatrészként és teljesítménykapcsoló modulként egyaránt (1. ábra). A teljesítménykapcsoló modulokat a Microchip a felhasználó alkalmazási igényeinek megfelelően testre szabott kivitelben is szállítja.
1.ábra A Microchip SiC-termékportfóliója
Több mint két évtizednyi SiC-tervezési és fejlesztési tapasztalattal a háta mögött a Microchip olyan SiC megoldásokat kínál, amelyek a piacon ma elérhető legmagasabb minőségi jellemzőkkel, igénybevételtűrő képességgel és megbízhatósággal rendelkeznek. Ezáltal lehetővé válik a tervezőmérnökök számára, hogy csökkentsék a termékfejlesztés költségeit és a piacképes termék előállításához szükséges időt. A Microchip egyben az a szállító is, amely az iparág legrövidebb szállítási határidőinek egyikét képes felkínálni egy olyan megközelítés alapján, amely több forrásból is beszerezhető epitaxiális szelet (wafer) -alapanyag feldolgozására is képessé teszi két SiC-gyártó telephelyen. Mindez jelentős szállítási biztonságot jelent a felhasználóknak. A Microchip SiC MOSFET termékeinek fokozott terheléstűréséről a pontos tervezés gondoskodik. Ebbe az induktív terhelések magasabb számú, ismétlődő, csillapítatlan kapcsolási ciklusa (Unclamped Inductive Switching – UIS) is beleértendő, amely feleslegessé teszi annak a csillapítóáramkörnek a beépítését, amely a kapcsolóeszközt védené a túlfeszültség okozta túlterheléstől (a lavinaletöréstől). Ha ugyanis egy induktivitáson átfolyó áramot hirtelen megszakítunk, a mágneses térben tárolt energia egy ellentétes előjelű elektromotoros erőt indukál, amely nagyon magas feszültséglökést hoz létre magán a kapcsoló MOSFET-en. A teljesítménykapcsoló eszközöknek ezért elengedhetetlen tulajdonsága a magas fokú terheléstűrés, azaz jelen esetben a SiC MOSFET azon képessége, hogy ellenáll az UIS paraméterromlást okozó hatásának. Ellenkező esetben járulékos alkatrészeket kellene beépíteni a kapcsolóáramkörbe annak érdekében, hogy megvédje a SiC MOSFET-et a lavinaletöréstől. Azonkívül, hogy a Microchip UIS-ellenálló eszközöket kínál, SiC MOSFET termékei az IGBT-khez hasonló rövidzártűrő képességgel is rendelkeznek, amelyek révén túlélhetik a váratlan rendszertranzienseket is. Annak érdekében, hogy a Microchip termékkínálata meg tudjon felelni azon teljesítményelektronikai alkalmazások követelményeinek, amelyek magas kapcsolási frekvenciát és nagy üzemi feszültséget használnak a hatásfok javítása, valamint a termék súlyának és méretének csökkentése érdekében (például az elektromos hajtású szállításban és közlekedésben, a megújuló energiák feldolgozásában, a repülési és űrtechnikai, továbbá az ipari alkalmazásokban), a vállalat nemrég belépett a 3,3 kV-os SiC MOSFET-ek piacára, ráadásul a szakma legkisebb (akár <25 mΩ-os) RDS(on) csatornaellenállású eszközeivel, valamint az iparág legnagyobb (90 A-es) áramterhelhetőségű SiC-alapú Schottky-diódáival. Bár a 3,3 kV-os IGBT-ket jelenleg is számos alkalmazásban használják, ezek kapcsolási sebessége korlátozott, amelynek magas kapcsolási veszteség és nagyobb rendszerméret a következménye. Ehhez képest a 3,3 kV-os SiC MOSFET-ek lehetővé teszik, hogy a tervezők csökkentett veszteségű, méretű és súlyú végtermékeket dolgozzanak ki, és a többszintű rendszereket egyszerűbb, kétszintű megoldásokkal helyettesítsék. Az összes termék egyaránt rendelhető csip- és tokozott kivitelben.
A SiC előnyei és alkalmazásai
Az olyan hagyományos, szilíciumalapú teljesítménykapcsoló eszközökkel szemben, mint a MOSFET-ek és IGBT-k, a Microchip SiC-megoldásai az alábbi lényeges előnyökkel rendelkeznek:
magasabb megengedett réteghőmérséklet és javított hűtés,
alacsonyabb RDS(on) és magasabb hatásfok,
háromszor nagyobb hővezető képesség, amely által nagyobb teljesítménysűrűség és magasabb áramterhelhetőség érhető el,
kétszer nagyobb elektrontelítési sebesség, amely révén gyorsabb kapcsolás és méretcsökkentés valósítható meg (ugyanis a magasabb kapcsolási frekvencia kisebb méretű mágneses alkatrészek, transzformátorok, szűrők és passzív elemek használatát teszi lehetővé, amely csökkenti a megoldás helyszükségletét),
alacsonyabb kapcsolási veszteségek,
a hasonló területen alkalmazható IGBT-khez képest, névleges feszültségen üzemeltetve, azonos egységnyi térfogatra jutó neutronszám (neutron szuszceptibilitás) hatása alatt tizedakkora az időegységre vonatkoztatott meghibásodási gyakoriság,
a SiC-modulok parazita- (szórt) induktivitása rendkívül alacsony (<2,9 nH).
A SiC-eszközök jól kombinálhatók más Microchip termékekkel, például a mikrokontrollerekkel, az energiamenedzsment-integrált áramkörökkel, az analóg szenzorokkal, a vezetékmentes adóvevő-áramkörökkel, valamint az érintés- és gesztusvezérléssel annak érdekében, hogy a tervezők csökkentett költségszinten hozhassanak létre teljes értékű megoldást.
A Microchip SiC-termékcsalád által megcélzott tipikus piaci szegmensek és alkalmazások a következők:
Szállítás és közlekedés: a SiC-eszközök nagy hibatűrő és terhelésálló képessége alapvető fontosságú az elektromos hajtású járművekben (autókban, buszokban, teherjárművekben, kötöttpályás járművekben, függőlegesen fel- és leszálló repülőeszközökben, drónokban és repülőgépekben), valamint az e-mobilitás töltési infrastruktúrájában.
Ipar: a nagy kapcsolási frekvencia, a kis veszteség és kiváló termikus tulajdonságok teszik a SiC-eszközöket a motorvezérlés, a kapcsolóüzemű és szünetmentes tápegységek, hegesztő- és indukciós fűtőberendezések ideális kapcsolóeszközeivé.
Megújuló energiák: a SiC-alapú inverterek felhasználhatók a napelemes rendszerekben és szélturbinákban a teljesítményveszteségek csökkentésére és a hatékonyság növelésére.
Orvostechnika: az olyan diagnosztikai berendezésekben, mint az MRI és a röntgengépek, megbízható, robusztus és hatékony tápegységekre van szükség.
Repülés- és űrtechnika, védelmi berendezések: a SiC tulajdonságai olyan teljesítménykapcsoló eszközök gyártását teszik lehetővé, amelyek nagyfeszültségen és magas hőmérsékleten is működtethetők károsodás nélkül. A Microchip SiC termékkínálatában megtalálhatók a BL1, a BL2 és BL3 alaplemez nélküli teljesítménykapcsoló modulok, amelyek sokirányú megfelelőségi teszteken bizonyították alkalmasságukat. Ezek között kielégítik az RTCA DO-160G szabvány előírásait is, és ezzel a standard alkalmazásokon túl mára már a repülés- és űrtechnikai alkalmazások igényeinek is megfelelnek, beleértve a teherszállító- és nehézdrónok követelményeit is.
Nagyon sokat mond annak az összehasonlítása, hogyan változik a hőmérséklet-változás hatására a bekapcsolt állapotú csatorna-ellenállás (RDS(on)) a szilícium- és a SiC-alapanyagú eszközöknél. A Si MOSFET-eknél az RDS(on) hőmérsékletfüggése (2. ábra) nem változik az eszköz maximális üzemi feszültségével együtt, mivel a Si MOSFET-ekben az elektronok mozgékonyságát döntően azok termikus szóródása határozza meg. A 25 °C és 150 °C közötti hőmérséklet-tartományban az RDS(on) nagyjából 2,7-szeres arányban növekszik1. A 3. ábrán viszont ugyanezt a jelleggörbét láthatjuk egy 1200 V-os SiC-kapcsolóeszköznél a Microchip termékválasztékából. Ebben az esetben, a 25 °C és 175 °C közötti hőmérséklet-tartományban az RDS(on) tipikusan 1,5...1,8-szorosára növekszik. Ez – az előző eszközéhez képest – majdnem lapos jelleggörbének tekinthető2.
2. ábra Az RDS(on) hőmérsékletfüggése Si MOSFET-ekben
3. ábra Az RDS(on) hőmérsékletfüggése 1200 V-os SiC-eszköznél
Digitális programozható kapumeghajtók
Annak érdekében, hogy megoldást találjon azokra a kritikus problémákra, amelyek a SiC és IGBT teljesítménykapcsolók magas kapcsolási frekvencián történő használatakor jelentkeznek, a Microchip megtervezte az AgileSwitch® konfigurálható, digitális kapumeghajtó eszközcsaládját. Különösképpen a SiC MOSFET-eknek van szüksége arra, hogy a kapumeghajtás paraméterei helyesen legyenek beállítva. Ellenkező esetben ugyanis kikapcsolási feszültséglökések és -lengések, elektromágneses interferenciajelek keletkezhetnek, továbbá a nyelő- (drain-) elektróda áramának telítődése is előfordulhat, amely az eszköz maradandó károsodásával jár. Az AgileSwitch meghajtók lehetővé teszik a tervező számára, hogy vezérelje, felügyelje és védje a károsodástól a SiC-alapú alkalmazásait az Augmented Switching technológia (a fantázianév jelentése kb.: a szorosan kontrollálható kapcsolási paraméterek körének kiterjesztése – A ford. megj.) segítségével, amely akár hétféle hibaállapotra is figyelmeztetheti a felhasználót, és védelmet jelent a hibás működés esetén a biztonságos és megbízható használat érdekében. A Microchip a modul-adapterkártyák és kapumeghajtó magáramkörök teljes sorozatát kínálja az azonnal használatba vehető, „plug and play” kapumeghajtó kártyákkal együtt a SiC-teljesítménykapcsoló modulok széles választékával történő felhasználásra. A 4. ábra egy kétcsatornás AgileSwitch SiC kapumeghajtó magáramkört mutat 1200 V-os SiC-modulokhoz. Az Augmented Switching vezérlési technológiát magukban hordozó kapumeghajtó magáramköröket robusztus rövidzárvédelem és szoftver úton teljes mértékben konfigurálható paraméterek jellemzik, beleértve a ±Vgs (bipoláris) kapufeszültség-tápellátást is. Mivel a SiC-eszközök a rövidzárnak csak jelentősen rövidebb (nagyjából 2...3 µs-os) ideig állnak ellen, alapvetően fontos, hogy a megfelelő rövidzárvédelmi paramétereket lehessen beállítani a kapumeghajtó segítségével.
4. ábra Kétcsatornás, konfigurálható kapumeghajtó magáramkör 1200 V-os SiC kapcsolóeszközökhöz
A hagyományos analóg kapumeghajtóktól eltérően ezek a digitális kapumeghajtók akár 200 kHz-es kapcsolási frekvenciáig is használhatók, szoftver úton konfigurálhatók, megelőzhetők velük a meghibásodások,valamint csillapítják a feszültséglengéseket, a mindkét irányú túllövések által keltett elektromágneses interferenciát (EMI) a SiC és IGBT-teljesítménykapcsoló moduloknál egyaránt. Ezek a digitális kapumeghajtó magáramkörök a modul adapterkártyájába dugaszolva lehetővé teszik, hogy a tervező gyorsan kiértékelhesse a modul és a kapumeghajtó képességeit, és ezzel hozzájárulnak a piacképes termékké fejlesztés folyamatának gyorsításához. A 4. ábrán látható kapumeghajtó például akár 10 A csúcsáramot is képes leadni. Tartalmaz egy szigetelt, konfigurálható kimeneti feszültségű DC/DC-átalakítót, valamint kis kapacitású, szigetelt jelátviteli utat is az impulzusszélesség-modulált (PWM) jelek előállításához, továbbá hibaállapotjelek visszavezetéséhez. Az intelligens konfigurációs szoftvereszköz (Intelligent Configuration Tool – ICT) egy olyan grafikus felhasználói interfészt (GUI) tár a felhasználó elé, amellyel gyorsan elvégezhető a kapumeghajtó áramkör összes lényeges paraméterének konfigurálása anélkül, hogy a hardverhez hozzá kellene nyúlni. A konfigurálható jellemzők között megtalálható az Augmented Switching technológiával precízen irányított be- és kikapcsolás, a bipoláris (±Vgs) kapufeszültség előállításának képessége (a pozitív Vgs beállítási tartománya 15 V-tól 21 V-ig, a negatív Vgs-é pedig –5 V-tól 0 V-ig terjed). Ezenkívül kizárja a tápegység alacsony- és túlfeszültségű működéséből adódó hibaállapotokat, a telítetlen állapot felismerése beállítható, éppúgy, mint a holtidő, a hibás működés letiltása és az újraindítás paraméterei.
Eszközök és fejlesztőkészletek
A Microchip SiC-termékpalettája széles körű fejlesztési támogatást élvez a SiC SPICE elektronikai modellező szoftvereszköz modelljei által, amelyek kompatibilisek az MPLAB® Mindi analóg szimulátor moduljaival és a meghajtókártyák referenciaterveivel. Ezenkívül az Intelligent Configuration Tool (ICT) segíti a tervezőket abban, hogy beállíthassák a SiC-kapumeghajtók lényeges paramétereit a Microchip AgileSwitch digitális kapumeghajtó-termékcsaládjának lehetőségeit kiaknázva.
5. ábra Az Intelligent Configuration Tool grafikus felhasználói kezelőfelülete
Az 5. ábrán látható ICT felhasználói interfész segítségével a tervezők számos kapumeghajtó-paramétert állíthatnak be, köztük a kapumeghajtás kapcsolási profilját, a rendszerszinten fontos paraméterek felügyeletét és a vezérlőinterfész beállításait. Az újonnan használatba vett félvezető kapcsolóeszköz-típusok egyedi, „testre szabott”, eszköztípusra és alkalmazásra optimalizált beállításai gyorsan és könnyen kikísérletezhetők, mivel a kapumeghajtók paramétereit a laborban és a terepen egyaránt forrasztás nélkül lehet változtatni. Az eredmény tehát az, hogy a kapumeghajtót anélkül lehet az alkalmazás igényeihez alakítani és optimalizálni, hogy a hardverbe bármilyen módon be kellene avatkozni. A piacérett termékig való eljutást tovább gyorsítja a SiC-modul nélkül gyártott ASDAK, valamint a SiC-modult is magába foglaló ASDAK+ „gyorsító” fejlesztőkészlet, amelyekben minden hardver- és szoftverelem megtalálható, ami a SiC-teljesítménykapcsoló és a rá épülő rendszer teljesítőképességének optimalizálásához szükséges, és ezzel háromtól hat hónapig tartó fejlesztési munkaidőt takaríthat meg az új termék létrehozásán munkálkodó tervezőnek.
Szerző: Perry Schugart, termékmarketing mérnök – Microchip Technology
A szerkesztő jegyzetei
1 A konkrét példa 1,7-szeres növekedést mutat. Tekintsünk el nagyvonalúan az ábra apróbb következetlenségétől: a jelleggörbe nem pontosan 25 ˚C-nál mutatja az egyszeres arányszámot. Azonban az ábra ettől eltekintve a csatornaellenállás hőmérsékletfüggésének jellegzetes menetét lényegében helyesen ábrázolja. (A szerk. megj.) 2 Ráadásul a 2. és 3. ábra felületes vizuális összehasonlítása még előnytelen is a SiC MOSFET-ekre nézve. Vegyük észre, hogy a SiC-eszközök esetében nem csak a csatornaellenállás változási aránya kisebb, de az ehhez tartozó hőmérséklet-tartomány is 25 ˚C-kal szélesebb. (A szerk. megj.)