A SiC-alapú rendszermegoldások három kulcstényezője
A teljesítményelektronika legfontosabb kapcsolóelemének szerepe az IGBT-ktől egyre inkább a szilíciumkarbid (SiC) alapanyagú MOSFET-ekre helyeződik át. Ahhoz azonban, hogy a SiC előnyeit maradéktalanul kihasználhassuk, a tervezési megfontolásokon kívül új, optimalizált teljesítménytokozatokra és intelligens, digitálisan vezérelhető kapumeghajtókra is szükség van.
A SiC-alapú kapcsolóelemek kínálatának gyors bővülését követően az iparág következő kihívása a tervezési folyamat egyszerűsítése a végfelhasználók számára. Az energiaellátó rendszerek fejlesztőinek holisztikus megoldásokra van szükségük, amelyek nem külön-külön kezelik a tervezés tipikus építőelemeit, hanem felismerik kölcsönhatásaik fontosságát is.
Másképpen szólva: az ambiciózus SiC-beszállítóknak nemcsak a SiC MOSFET technológiájuk teljesítőképességét és robusztusságát kell bemutatniuk, hanem olyan alacsony induktivitású teljesítménytokozatokat és kifinomultabb kapumeghajtókat is kínálniuk kell, amelyek segítenek megoldani a betervezés kihívásait, támogatják és védik a rendszereket, és lehetővé teszik a paramétereik finomhangolását is. Ennek a három kulcsfontosságú tényezőnek a körültekintő figyelembevétele minden bizonnyal leegyszerűsíti az alkatrészek értékelését és betervezését azok számára, akik ki akarják aknázni azokat a zavarba ejtően változatos lehetőségeket, amelyeket a SiC tesz lehetővé a rendszerszintű fejlesztések terén.
A SiC MOSFET robusztus és teherbíró
A SiC MOSFET-eknek mint az energiakezelő lánc vitathatatlanul legkritikusabb láncszemének bizonyítaniuk kell a robusztusságukat számos olyan, kulcsfontosságú területen, ahol hagyományosan sérülékenyeknek tekintették azokat. A szilícium MOSFET-ekhez hasonlóan a SiC MOSFET-eknek is szembesülniük kellett az oxid és a félvezetőanyag találkozásánál keletkező külső eredetű hibákkal, például a szennyeződések, az elektromosan töltött állapotú szigetek és egyéb anyaghibák problémájával, amelyek a félvezető- eszközök különféle instabilitási és paraméterromlási folyamatainak az okozói. Ezeknek a kockázatoknak a kiküszöbölése megköveteli, hogy a gyártási fokozatú SiC MOSFET-ek stabil küszöbfeszültséget, megbízható kapuoxidot, robusztus belső testdiódát és a lavinahatásnak ellenálló tulajdonságokat mutassanak. Minden képességet minősítési teszteléssel kell hitelesíteni, mivel a félvezetőeszközök élettartama és paramétereinek stabilitása drámai mértékben különbözhet a beszállítótól függően.
Egy SiC MOSFET küszöbfeszültsége (Vth) stabilitásának tesztelésére általánosan használt gyakorlat az, hogy statisztikailag szignifikáns mennyiségű félvezetőeszközt magas hőmérsékleten, nagy abszolút értékű pozitív és negatív előfeszültség hatásának tesznek ki (p- és n-HTGB – High Temperature Gate Bias), és összehasonlítják a tesztpopulációnak a feszültségterhelés előtt és után mérhető küszöbfeszültségét. Például egy 1200 V-os SiC MOSFET-típus 64 példányból álló tesztpopulációján 1000 órás tesztidőtartamra végeznek p- és n-HTGB tesztet. A Vth megfigyelt átlagos megváltozása +59,6 mV a p-HTGB vizsgálat után, illetve -22,8 mV az n-HTGB vizsgálatot követően. Egy ilyen stabilitási szintű terméknél a fejlesztőnek lehetősége van előre számolni a küszöbfeszültség változásával, amely révén szigorúbban specifikált és hosszabb időtartamra előre jelezhető tulajonságú terméket eredményező tervezési döntéseket hozhat.
A nagy megbízhatóságú kapuoxidok minden alkalmazásban kritikus fontosságúak, kiváltképpen azoknál a termékeknél, amelyektől hosszú használati élettartamot várunk. Annak meghatározására, hogy a jelen cikkben tárgyalt SiC MOSFET alkatrészek kapuoxidja mennyire megbízható, az 1200 V-os SiC MOSFET-ek három tesztpopulációján végeztünk a letörésig történő kapuelektróda-feltöltési (charge to BreakDown – QBD) tesztet. Az összes tapasztalt kapuelektróda-letörések belső eredetűnek bizonyultak, amely a típus nagyfokú érettségének a jele. Kiszámoltuk a FIT (Failure in Time, a típusra vonatkoztatott egymilliárd üzemóra alatt meghibásodó példányok száma – A szerk. megj.) és MTTF (Mean Time To Failure, az első meghibásodásig eltelő átlagos időtartam) értékét egy nagyobb, 192 eszközből álló tesztpopulációra. A p-HTGB terhelési teszt után a FIT értéke 20, az MTTF eredmény pedig 5618 év volt. Ugyanezek az értékek az n-HTGB-teszt után 93-as (FIT) és 1233 év (MTTF) eredményt mutattak. A végfelhasználókat megnyugtathatja, hogy ezek az eredmények összemérhetők a különféle gyártók által megadott időfüggő dielektromos letörés (Time-Dependent Dielectric BreakDown) értékeivel. Ez a MOSFET öregedésére jellemző időadat: az az átlagos időtartam, amely alatt a MOSFET kapuoxidja akkor is átüt, ha előtte végig alacsony kapufeszültséggel üzemeltették. – A szerk. megj.
A SiC p-n átmenetében tapasztalható bipoláris paraméterromlás jelenségét is alaposan tanulmányozták. Ez a SiC MOSFET testdiódájában tapasztalható jelenség a MOSFET bekapcsolt állapotban mérhető ellenállásában, valamint a testdiódán áramirányváltáskor mérhető feszültségesésnek a növekedésében mutatkozik meg a kimeneti karakterisztika harmadik síknegyedbeli szakaszának káros eltolódása (driftje) formájában. Annak köszönhetően, hogy a SiC MOSFET alapanyagok technológiája az érett szakaszába lépett, a gyártás megkezdése előtt már jelen levő, eredeti kristályhibák gyakorisága jelentősen csökkent a gyártási fokozatú alapanyagokban. Ennek ellenére minden SiC MOSFET-gyártó termékét be kell vizsgálni a felhasználás előtt. Az Ohio State University nemrég publikált kutatásában hasonlította össze a testdióda paraméterromlását különféle gyártók 1200 V-os SiC MOSFET termékeiben, 100 órányi, maximális áramú terhelés után (VGS= – 5 V kapufeszültségnél), amely során lényeges eltéréseket találtak a teszt után mért bekapcsolási ellenállás értékei között. Amint az 1. ábrán látható, egyedül a C jelű gyártó terméke nem mutatott paraméterromlást. Az ugyanezen eszközökön végzett, harmadik síknegyedbeli paramétervizsgálatok is megerősítették (illetve a C jelű gyártó termékénél cáfolták) a testdióda paraméterromlásának jeleit.
1. ábra A harmadik negyedbeli mérési adatok szerint egyedül a C jelű gyártó SiC MOSFET terméke nem mutatta a testdióda paraméterromlásának jeleit (Forrás: Dr. Anant Agarwal and Dr. Minseok Kang, Ohio State University)
Egy másik fontos paraméter, amelyet értékelni kell, a lavinaletöréssel szembeni ellenállóképesség, amelyet vágatlan induktív impulzussal (UIS – Unclamped Inductive Swithching) vizsgálnak. A kikapcsolt állapotban levő MOSFET-re induktív terhelés kapcsolásával létrehozott feszültségimpulzust vezetnek, ami a teljes áramot egy, a csip peremén létrejövő lavinaletörésen keresztül vezeti le, mivel a kikapcsolt MOS-ban vezető csatorna nem alakul ki. Ez nem azonos a rövidzártűrési vizsgálattal, amelynek során a MOSFET bekapcsolt állapotban van, és az áram egyenletesebben oszlik el az eszköz teljes aktív területén. A valós körülmények pontosabb megközelítése érdekében a SiC MOSFET-eket ismétlődő UIS (R-UIS, repetitive UIS) impulzusoknak vetik alá; a paraméterek stabilitását és az oxid integritását 100 000 ismétlődő impulzus előtti és utáni állapot összehasonlításával vizsgálják, a MIL-STD-750 szabvány szerint a névleges maximális áram kétharmadával terhelve. A letörési feszültséget (VBR), a küszöbfeszültséget (Vth) és a testdióda nyitófeszültségét (VF) az R-UIS láthatóan nem befolyásolja, ami kiváló ellenállóképességet jelez a lavinaeffektussal szemben.
Kis induktivitású teljesítményfélvezető tokozat
A SiC MOSFET iránti bizalom fokozása érdekében a SiC teljes rendszermegoldásának következő fizikai feltétele egy optimalizált teljesítménytokozat. Egy hatékony, többcsipes modultokozat sokkal inkább hozzájárul ahhoz, hogy a tervezők kihasználják a SiC előnyeit, mintsem hogy akadályozná azt.
Számos követelményt kell figyelembe venni. Mivel a SiC MOSFET-csip maga viszonylag kicsi, sokat kell belőlük párhuzamosan kapcsolni a bekapcsolt állapotban mérhető alacsony csatornaellenállás érdekében. Ezenkívül a párhuzamosan kapcsolt MOSFET-csipeknek azonos időzítéssel és egyenletes áramelosztással kell kapcsolniuk, ami azt jelenti, hogy a csipek összekapcsolási sémájának mind a szimmetriát, mind pedig az alacsony induktivitást egyszerre kell biztosítania.
Példa erre a Microchip SP6LI tokozata, amely csak 2,9 nanohenry (nH) szórt induktivitást visz be az áramkörbe, szemben a standard modultokozatok 20 nH-nél is több parazitainduktivitásával. A teljesítmény-áramkör hurokinduktivitását csökkenti a szalagvezetőkből kialakított egyenáramú összeköttetések buszrendszerű elrendezése. Az aljzat csatlakozásai szimmetrikusan vannak elosztva, és a lehető legközelebb vannak a félvezetőcsiphez. A kapuforrás (gate-source) hurok tekintetében független, a kapuelektródával sorba kacsolt ellenállás beültetésére alkalmas helyet alakítottunk ki mind a tizenkét beépített MOSFET-csip számára a felső- és az alsóoldali kapcsolónál az időzítés és az áramelosztás optimalizálása érdekében. A független kapuellenállások csökkentik a kapuforrás hurokba beiktatott parazitainduktivitást, védve az eszközt a katasztrofális tranziens eseményektől, miközben a kapcsolási veszteségeket is minimalizálják.
Okos és rugalmas kapumeghajtó technológia
A teljes SiC-rendszermegoldáshoz szükséges harmadik kritikus elem a vezérlés. A SiC MOSFET gyors kapcsolási képessége ismét csak veszélyezteti egy optimalizálatlan rendszer teljesítőképességét azzal, hogy EMI (elektromágneses interferencia) problémákat és tranziens feszültségcsúcsokat okoz. A kapumeghajtó technológiájának új kategóriájára van szükség, amely lehetővé teszi a tervező számára, hogy a kapcsolási dinamika befolyásolásával optimális kompromisszumot érjen el. Ezenkívül a kapumeghajtónak gyorsan kell észlelnie a túlfeszültséghullámokat, és gyorsan kell reagálnia rájuk, mivel a SiC MOSFET-ek rövidebb ideig állnak ellen ezeknek a túlterheléseknek, mint a legtöbb szilícium-IGBT.
A „kiterjesztett kapcsolásnak” (augmented switching) nevezett szabadalmaztatott technika alkalmazásával a legújabb digitális kapumeghajtó megoldások lehetővé teszik egy kívánt időtartamú várakoztatási idő beiktatását a felhasználó által megadott, köztes VGS- [a forrás (source) elektródához viszonyított kapu (gate) feszültség] szinten, hogy legyen idő a Miller-kapacitás kisütésére, mielőtt a vezetési tartományon kívüli VGS-re lépnének (lásd 2. ábra). Ez eltér a hagyományos megközelítéstől, amelyek a VGS-t a bekapcsolási kapufeszültségről közvetlenül a kikapcsolási szintre viszik, amely nem kínál menekülési utat a tervezőnek a rendszer más, kevésbé elkerülhető buktatói elől, mint például a terhelés összekapcsolására használt kábel parazitainduktivitása. Valójában látványos kompromisszumokat lehet elérni a feszültségtúllövés és a hatásfok között a kiterjesztett kapcsolási profil (nevezetesen a VGS szintek és a várakozási idő) kis módosításával.
2. ábra A kibővített kapcsolási megközelítést alkalmazó digitális kapumeghajtók egyszerű, egyértelmű feladattá teszik az optimális tervezési pontok azonosítását és értékük számszerűsítését az érdekeltek számára
A 3. ábra egy D3 (106 mm × 62 mm × 31 mm) tokozatú, 1200 V-os SiC MOSFET-modul kikapcsolási hullámformáit mutatja két kiterjesztett kapcsolási profil esetén. Megfigyelhető, hogy az alacsonyabb közbenső VGS választása csökkenti a kapcsolási veszteségeket, ami előnyös, ha a hatékonyságé az elsőbbség, míg a magasabb VGS használata csillapítja a VDS (a forráselektródához viszonyított nyelőelektróda (drain) feszültség) túllövését és tompítja mindhárom hullámforma rezgéseit. A kapumeghajtóhoz kifejlesztett szoftverkonfigurációs eszköz segítségével a fejlesztő a kapumeghajtó beállításait egy egérkattintással finomhangolhatja a fejlesztési folyamat minden szakaszában, szemben a forrasztópákával a kézben eltöltött hosszú órákkal.
3. ábra A kiterjesztett kapcsolási módszer hatását egy SiC MOSFET-modul kikapcsolási hullámformái szemléltetik
A digitális kapumeghajtók emellett fokozott intelligenciát is kínálnak. Például hiba esetén egy teljesen eltérő kikapcsolási profilra is átkapcsolhatók annak érdekében, hogy lehetővé tegyék a hibaállapot biztonságos kezelését és „túlélését”. A kiterjesztett kapcsolási módszerek beépítése a rövidzárvédelembe felerősíti az alacsony Rg érték használatának előnyeit, valamint a MOSFET-et egy lágyabb, kontrolláltabb átmeneten keresztül kapcsolja kikapcsolt állapotba, csökkentve a lavinaátütés valószínűségét. A még konfigurálhatóbb szolgáltatások közé tartoznak a valós idejű diagnosztikai intézkedések, például az egyenáramú kapcsolat feszültségének és hőmérsékletének figyelése. Ahogy a teljesítményelektronikai tervezők átállnak a szilícium IGBT-ről a SiC MOSFET-ek használatára, egyre inkább az alkatrész-beszállítókra bízzák, hogy biztosítsák számukra a teljes rendszermegoldások létrehozásához szükséges kritikus elemeket. Ennek része a bizonyítottan robusztus SiC MOSFET, a rendkívül alacsony induktivitású teljesítménytokozat, és a beépített optimalizálási képességekkel rendelkező intelligens kapumeghajtók új osztálya. Mindegyik előfeltétele annak, hogy a SiC tervezési folyamata észszerűsíthető legyen a kezdeti értékeléstől a terepi telepítésig.
Szerző: Kevin Speer – Microchip Technology
