A Microchip SiC-megoldásai kiterjesztik a nagy teljesítményű alkalmazások határait

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) R_DS(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 R_DS(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 (R_DS(on)) a szilícium- és a SiC-alapanyagú eszközöknél. A Si MOSFET-eknél az R_DS(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 R_DS(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 R_DS(on) tipikusan 1,5...1,8-szorosára növekszik. Ez – az előző eszközéhez képest – majdnem lapos jelleggörbének tekinthető².

2. ábra Az R_DS(on) hőmérsékletfüggése Si MOSFET-ekben

3. ábra Az R_DS(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 ±V_gs (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 (±V_gs) kapufeszültség előállításának képessége (a pozitív V_gs beállítási tartománya 15 V-tól 21 V-ig, a negatív V_gs-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.)

www.microchip.com