Állóképesség és megbízhatóság

avagy pillantás az adatlapon túlra

A szilíciumkarbid (SiC) nem újdonság: kemény kristályait több mint 120 éve használják csiszolóanyagként. Nem sokkal később már az elektronikába is „belopakodott”: a legegyszerűbb detektoros rádióvevők egyenirányítója vált belőle. Napjainkban ismét újjászületett mint a Si-félvezetőknél nagyobb feszültség- és hőmérséklettűrésű teljesítménykapcsolók alapanyaga. A cikk a vasúti vontatás ürügyén a legigényesebb teljesítménykapcsoló-alkalmazásokba enged betekintést – az adatlapok „mögé”. 

A közlekedés szerves része mindennapjainknak, miközben embereket és árukat szállít A pontból B pontba. Egy ilyen rendszer megszakadása dominóhatást váltana ki. A vasúti közlekedés különösen ki van téve a különböző időjárási körülményeknek, amelyek befolyásolhatják a rendszerekben használt elektronikát. Ezért fontos, hogy a közlekedési rendszerek fejlesztői olyan paramétereket is figyelembe vegyenek, amelyek jellemzően nem találhatók meg az adatlapokon. Ez még fontosabb a széles tiltott sávú félvezetőkből készült teljesítményelektronika, például a szilíciumkarbid (SiC) esetében, amely újszerű anyag az ilyen alkalmazásokban.

A Microchip Technology SiC teljesítményelektronikai eszközei jól tűrik a nehéz üzemi körülményeket, robusztusak, és jól alkalmazhatók a közlekedési ágazat igényes alkalmazásaira. A szabványos és egyedi tokozási lehetőségek erőteljes választéka rugalmasságot kínál az ügyfeleknek a tervezés során. Azok a digitálisan programozható kapumeghajtók, amelyek NyÁK-lapra szerelt kivitelben, közvetlenül felhasználható (plug-and-play) formában vagy magmeghajtóként is elérhetők, a rendszer teljesítményének optimalizálását és a rendszer alkalmazáshoz hangolását minimális hardvermódosítással teszik lehetővé a mérnökök számára. 

A SiC MOSFET-eknek a működési feltételek széles tartományában mutatott ellenállóképessége alapvetően fontos a hagyományos és a vészhelyzeti fogyasztókat egyaránt ellátó segédhajtóművek (Auxiliary Power Unit – APU) esetében. Ezeknek a következő képességekkel kell bizonyítottan rendelkezniük: 

1. a MOSFET kapuoxidjának stabilitása és élettartama,

2. a MOSFET testdiódájának stabilitása és

3. az ellenállóképesség a hibaállapotokkal, például a lavinaletöréssel szemben.

A MOSFET kapuelektróda-szigetelésének stabilitása
és élettartama

Annak érdekében, hogy egy teljesítményátalakító stabil működését biztosíthassuk, a teljesítményfélvezetők küszöbfeszültségének csak minimális mértékben szabad változnia és megbízható teljesítőképességet kell mutatnia a teljesítményátalakító teljes tervezett élettartama folyamán. Az 1. ábra mutatja, hogy a sorozatgyártású SiC MOSFET-ek küszöbfeszültsége (V_th) 1000 órányi, 175 °C-on történő üzemeltetés után sem mutat jelentékeny változást.

1. ábra Sorozatgyártású SiC MOSFET-ek küszöbfeszültségének változása magas hőmérsékletű igénybevétel során, negatív (balra), valamint pozitív (jobbra) kapuelektróda-előfeszítés esetén

A kapuoxid élettartamának becslésére alkalmas gyorsított vizsgálat a tesztpéldányok megemelt hőmérsékletnek és elektromos mezőnek kitett, meghibásodásig tartó igénybevételével történhet. Egy sorozatgyártású SiC MOSFET kapuoxidjának 100 évnél is hosszabb, erős igénybevételű működést kell elviselnie annak érdekében, hogy egy APU-ban alkalmazva, annak teljes tervezett élettartamára megbízhatónak tekinthessük. 

A testdióda stabilitása

Egy SiC MOSFET szennyezetlen (intrinsic) félvezetőrétegében kialakuló testdiódán (body diode) át záróirányú áram folyik. Ha egy IGBT-vel (szigetelt vezérlőelektródás bipoláris tranzisztoros kapcsolóval) hasonlítjuk össze, egy SiC MOSFET stabilabb testdiódája növeli a megbízhatóságot és a külső, antiparalel kapcsolású védődióda elmaradásával csökkenti a költségeket. Ugyanakkor a testdióda megbízhatósága jelentős eltérést mutathat különböző gyártók termékei esetén. Némelyik eszköznél ennek a diódának a paraméterei idővel romlanak, amely a csatornaellenállás (R_DS) megnövekedésével jár, és ezzel együtt a működés közben keletkező veszteségi hőterhelés is meghaladhatja a specifikált maximális értéket. A 2. ábra a testdióda áram-feszültség (I-V) karakterisztikáját, valamint a bekapcsolt állapotban mérhető csatornaellenállását (R_DS(on)) mutatja sok órányi folyamatos nyitóirányú terhelési teszt után. A Microchip vizsgált eszközeinél nem tapasztalható észrevehető értékeltolódás. 

2. ábra Balra: a csatornaellenállás (RDS) terheléses vizsgálata előtt és után mért érték Microchip SiC MOSFET-eknél. Jobbra: az időfüggő dielektromos letörés ismétlődő lavinaletörések előtti és utáni értékeinek összehasonlítása négy gyártó kereskedelmi forgalomban beszerezhető SiC MOSFET termékei esetén

Lavinaletörés-tűrőképesség

A szállítójárművekben használt segédhajtóművek általában érzékenyek a hibaállapotokra, ám az igényes SiC MOSFET-eket úgy tervezik, hogy még ilyen körülmények között is megbízhatóan működjenek, és következetesen megtartsák a hibaállapot előtti teljesítőképességüket a hibaállapot után is. 

A kulcsfontosságú követelmények egyike a lavinaletörés-tűrőképesség. A teljesítményfélvezetőkben tapasztalható lavinaletörés oka nagyon gyakran az induktív terhelések kapcsolásakor keletkező vágatlan vagy csillapítatlan tranziensjelenség. Ilyenkor hirtelen nagy terhelőáram indul meg a MOSFET-en keresztül, amely a forrás- és nyelőelektróda közötti feszültséget a letörési feszültségértékig növeli. A rövidzárral ellentétben a MOS-csatornák ennek nem tudnak ellenállni; a lavinaáram elárasztja a csip peremét, és gyorsan a termikus határadat fölé emeli az eszköz hőmérsékletét. A lavinajelenség jelentősen igénybe veszi a teljesítményfélvezetőket az elektromos és termikus túlterhelés miatti lehetséges élettartamromlás által. Az eszközök lavinaletörés-tűrőképességét éppen ezért az induktív terhelés ismétlődő, csillapítatlan kapcsolásával (Repetitive Unclamped Inductive Switching – R-UIS) tesztelhetjük. A 2. ábra jobb oldala mutatja az időfüggő dielektromos letörés (Time-Dependent Dielectric Breakdown – TDDB) összehasonlítását kereskedelmi fogalomban beszerezhető SiC MOSFET példányok 100 000 ciklusnyi R-UIS előtti és utáni állapotában. Sok gyártó betartja ugyan az oxidréteg átütési szilárdságára vonatkozó határadatot, de az akár négyszer szívósabb Microchip SiC MOSFET-ek a bekapcsolt állapotú csatornaellenállás (R_DS(on)) és a nyelő- és forráselektróda közötti szivárgás stabilitása mellett fokozzák a SiC MOSFET-eknek azt a képességét, hogy a legmagasabb követelményeket támasztó  elektromos túlterhelési körülményeket is biztonságosan túléljék.

Okos, intelligens kapumeghajtókra van szükség

Mivel egy kapumeghajtó (gyakran galvanikusan elválasztott) interfészként működik a felső- és alsóoldali kapcsolóknál, ráadásul megbízható kapuvezérlést, felügyeletet és sok más biztonsági képességet várunk el tőle bármilyen üzemi körülmények és működési feltételek esetén, egyike a legfontosabb alrendszereknek mind a teljesítőképesség, mind a megbízhatóság szempontjából. Normális működési feltételek mellett a kapuvezérlő a hosztvezérlő utasításait követve kapcsolja ki és be a teljesítményfélvezetőt. A telje­sítmény­átalakítókhoz állítható holtidejű kapumeghajtókra van szükség, mint például a kapumeghajtónak elegendő időt (holtidőt) kell hagynia az eszköz számára, hogy a vezérelhetetlen állapotából helyre tudjon állni a be- és kikapcsolási folyamat közben. A kapuelektródára a bekapcsolás érdekében kapcsolt feszültség befolyásolja az R_DS(on) bekapcsolt csatornaellenállás-értékét, ezért ez egy másik fontos paraméter az eszközön fellépő vezetési teljesítményveszteség minimalizálása érdekében. 

Végül pedig a kapuellenállás a kapcsolási tranziens sebességét, és ezzel azt az időtartamot is meghatározza, amennyi a telje­sítményfélvezetőnek a be- és kikapcsolásához szükséges. A tervezők ezeket a paramétereket gyakran optimalizálják változatos követelményeknek megfelelően. A megbízhatóság egyben a tel­jesítményátalakítónak az olyan meghibásodások elleni védettségét is jelenti, amelyek legrosszabb esetben az eszköz vagy a konverter végleges károsodását is okozhatják. Egyszerűen szólva, túl sok paraméter és funkció rendelhető a kapumeghajtókhoz, ami felveti a kérdést, hogy létezhetnek-e megbízható meghajtók, amelyek hardver helyett szoftveresen konfigurálhatók, mint az a 3. ábrán, jobbra látható. A Microchip digitálisan programozható kapumeghajtó-termékcsaládja, amelynek egyike a 3. ábra bal oldalán látható, teljes rugalmasságot kínál a tervezőknek a paramétereknek az alkalmazástól, a terhelés jellegétől vagy más sajátos követelményektől függő beállításához. Ehhez még hibaállapot-visszajelzés is társul, ami hasznos lehet a hibadiagnosztikai munkafolyamatok során. Mindehhez ráadásul a Microchip digitális kapumeghajtó-termékcsaládja egyszerű DC-feszültségszint- és hőmérsékletmérési képességet is kínál. A teljesítményátalakítókban fellépő rövidzárak – amennyiben nem kezeljük helyesen ezt a lehetőséget – javíthatatlan károk keletkezéséhez is vezethetnek. A Microchip szabadalmaztatott, kiterjesztett védelmi rendszerébe épített hibaáram-határoló védelme a hibaállapot korábbi észlelését teszi lehetővé, a túlfeszültség ellen pedig többlépcsős kapumeghajtó-feszültséget szolgáltató képességével történő kikapcsolással nyújt védelmet. 

3. ábra Balra: adapterkártyára telepített kapumeghajtó magáramkörből
és a Microchip teljesítménykapcsoló moduljából álló értékelőkészlet. Jobbra: képernyőkép az intelligens kapumeghajtó konfigurációs szoftvereszközről (Intelligent Configuration Tool), amellyel a kapumeghajtó kártyák programozása végrehajtható

A SiC megszámlálhatatlan előnnyel rendelkezik a vasúti vontatási alkalmazásokban. A Microchip SiC-eszközökkel foglalkozó weboldala az adatlapoknál jóval alaposabban foglalkozik az olyan igényes alkalmazásokkal is, mint a vasúti vontatás technológiája. 

Szerzők: Xuning Zhang, Tomas Krecek, Nitesh Satheesh – Microchip Technology

További információ

https://www.microchip.com/en-us/products/power-management/silicon-carbide-sic-devices-and-power-modules

www.microchip.com