Новые транзисторы SiC MOSFET с трехкратным снижением потерь на переключение

телекоммуникацииуправление питаниемуправление двигателемответственные примененияWolfspeed (A Cree Company)статьядискретные полупроводникиMOSFETAC-DCзарядное устройство для электромобиляисточник питания для телекомапреобразователь собственных нужд для метро/локомотива

Эдгар Айербе, Адам Баркли, Джон Муккен (Wolfspeed)

Значение скорости переключения MOSFET в традиционных корпусах ограничено многими факторами. Компания Wolfspeed предлагает для своих MOSFET на базе карбида кремния два новых вида корпусов. Применение компонентов в этих корпусах позволяет уменьшить потери и упростить разработку двадцатикиловаттного активного выпрямителя для станций быстрой зарядки электромобилей.

Прогресс в области широкозонных полупроводниковых материалов позволил создать карбид-кремниевые полевые транзисторы (SiC MOSFET) с повышенной рабочей частотой, обеспечивающие меньшие потери на переключение. Усовершенствованные корпуса с малой паразитной индуктивностью, в которых выпускаются такие транзисторы, позволяют разработчикам в полной мере использовать возможности этих компонентов для увеличения КПД силовых преобразователей и, как следствие, для уменьшения расхода электроэнергии конечным потребителем. Простые и вместе с тем эффективные доработки серийно выпускаемых корпусов дискретных полупроводниковых приборов обеспечивают значительное улучшение эксплуатационных характеристик SiC MOSFET и, в то же время, позволяют отказаться от новых типов корпусов, применение которых непременно сказалось бы на стоимости и удобстве разработки готовых преобразователей.

С появлением новейших SiC MOSFET семейства C3M™ компании Wolfspeed ограничительными факторами для динамических характеристик изделий на базе этих транзисторов стали их корпусная паразитная индуктивность и топология печатной платы. MOSFET семейства C3M способны за десятки наносекунд коммутировать сотни вольт и десятки ампер. Но большое значение индуктивности истока в случае обычного корпуса TO-247-3 (обусловленное как индуктивностью соединительного проводника между кристаллом и выводом истока, так и индуктивностью самого вывода) приводит к возникновению отрицательной обратной связи, ограничивающей достижимое значение di/dt, а также увеличивающей потери на переключение. Как показано на рисунке 1 (верхний ключ), индуктивность истока Q1 (L_S1) и, соответственно, падение на ней напряжения оказываются общими для контура управления затвором и силового контура. Во время резкого изменения тока через ключ при переключении это напряжение вычитается из напряжения, формируемого драйвером затвора (V_DRV1). Как результат, снижается напряжение «затвор-исток» непосредственно на кристалле MOSFET, что значительно уменьшает скорость переключения, потери же на переключение при этом растут.

Один из путей решения данной проблемы – использование новых вариантов корпусов с дополнительным выводом истока KS (так называемый вывод по схеме Кельвина). Этот вывод соединяется с общим проводом драйвера затвора, как показано на рисунке 1 (нижний ключ Q2). В случае изолированного драйвера (V_DRV2) падение напряжения на индуктивности истока не оказывает влияния на контур управления затвором. В результате петля отрицательной обратной связи разрывается, что дает возможность снизить потери на переключение и существенно увеличить его скорость.

Максимальное значение di/dt, обеспечиваемое транзистором в корпусе TO-247-3L, ограничено из-за падения напряжения на суммарной индуктивности истока LS1, которое вычитается из напряжения управления затвором VDRV1. Использование корпуса TO-247-4L с дополнительным кельвиновским выводом истока в сочетании с изолированным драйвером затвора VDRV2 снимает это ограничение и тем самым существенно снижает потери на переключение.

Рис. 1. Условная схема одного плеча моста на MOSFET с верхним ключом (Q1) в корпусе TO-247-3L и нижним ключом (Q2) в корпусе TO-247-4L

Wolfspeed разработала новые варианты корпуса SiC MOSFET с отдельным выводом истока по схеме Кельвина; в таблице 1 вы найдете базовые характеристики транзисторов, выпускаемых в этих корпусах. Первый вариант – это корпус TO-263-7 для поверхностного монтажа, специально разработанный для MOSFET, рабочее напряжение которых не превышает 1700 В. Место, занимаемое этим корпусом на плате, на 52% меньше, чем у корпуса D3PAK, в котором обычно выпускаются компоненты на напряжение 1200…1700 В. В новом корпусе предусмотрено пять выводов истока, соединенных параллельно – такое решение значительно снижает индуктивность истока в силовом контуре в сравнении с другими корпусами для поверхностного монтажа. Второй вариант – корпус TO-247-4L для монтажа в отверстия, длина пути утечки «сток – исток» у него составляет 8 мм.

Таблица 1. SiC MOSFET компании Wolfspeed в корпусах с выводом истока, выполненным по схеме Кельвина

Результаты измерений: оценка улучшения динамических характеристик

В ходе испытаний (коммутация шунтированной диодом индуктивной нагрузки) подтвердилось улучшение динамических характеристик транзисторов в корпусах новых типов, указанных в таблице 1. На рисунке 2 приведены графики напряжения «сток-исток» и тока стока для кристалла MOSFET (1000 В, 65 мОм) в корпусах TO-263-7L (с включенным по кельвиновской схеме выводом истока) и TO-247-3L (без добавленного вывода истока) в случае коммутации 600 В/40 А нагрузки. Даже для такого, сравнительно небольшого, кристалла MOSFET при наличии в цепи затвора десятиомного резистора время открытия уменьшилось с 72 нс до 27 нс, что соответствует росту скорости переключения в 2,6 раза.

Рис. 2. Изменение напряжения и тока при открытии одинаковых SiC MOSFET в разных корпусах

Поскольку этот эффект зависит от характеристики di/dt MOSFET, можно предположить, что наибольшее снижение потерь при переключении будет достигнуто для сильноточных MOSFET с большой площадью кристалла и достаточно малым сопротивлением в цепи затвора. Во втором испытании на коммутацию индуктивной нагрузки тестировался кристалл MOSFET с номинальным напряжением 900 В, сопротивлением открытого канала 10 мОм и с управляющим напряжением V_GS = -4/+15 В при R_G = 5 Ом и V_DD = 600 В. Рисунок 3 отражает взаимосвязь динамических потерь и тока стока для транзистора в корпусах – стандартном TO-247-3L (слева) и новом TO-247-4L, с отдельным выводом, включенным по схеме Кельвина (справа). В обоих случаях измеренные значения включают потери на внутреннем, шунтирующем диоде верхнего MOSFET. Графики показывают 3,5-кратное уменьшение потерь на переключение при коммутации тока, близкого к номинальному. SiC MOSFET могут работать и на более высоких частотах в схемах мягкой коммутации или в резонансных схемах, обычно использующихся в DC/DC-преобразователях внебортовых и бортовых быстрых зарядных устройств постоянного тока [2].

Рис. 3. Связь энергии динамических потерь и тока стока для корпусов TO-247-3L и TO-247-4L SiC MOSFET (10 мОм, 900 В)

Пример применения: экономичный активный выпрямитель (AFE) мощностью 20 кВт для станций быстрой зарядки электромобилей

Бурное развитие электротранспорта открыло новые возможности для внедрения SiC MOSFET как на автомобилях, так и в сопутствующей инфраструктуре. Полумостовые схемы с жесткой коммутацией используются в DC/DC-преобразователях, тяговых приводах и в активных выпрямителях с ККМ, применяемых в устройствах для заряда. Также SiC MOSFET могут работать на более высоких частотах в схемах с мягкой коммутацией или резонансных схемах, обычно применяющихся в DC/DC-преобразователях быстрых зарядных устройств постоянного тока, как бортовых, так и внебортовых.

Рис. 4. Упрощенная схема силового каскада и выполненный по ней типовой образец активного выпрямителя на 20 кВт на базе MOSFET C3M0065100K

Таким образом, применение новых типов корпусов с кельвиновской схемой вывода истока обеспечивает заметное уменьшение потерь на переключение при коммутации в жестком режиме. Динамические характеристики, обеспечиваемые конструкцией корпуса, а также такие параметры SiC MOSFET семейства C3M на напряжение 1000 В как малые потери проводимости в рабочем диапазоне температур, малое значение QRR паразитного диода и более высокая линейность изменения выходной емкости позволили разработчикам по новому подойти к некоторым известным простым схемам с двухуровневой топологией. Чтобы продемонстрировать эти достоинства на практике, специалисты Wolfspeed разработали и испытали двухуровневый активный выпрямитель мощностью 20 кВт на основе SiC MOSFET (рисунок 4). Он может использоваться в качестве входного каскада станции быстрой зарядки электромобилей.

В каждом ключе указанного выпрямителя находится по два MOSFET C3M0065100K. Дополнительные антипараллельные диоды отсутствуют. Частота коммутации 48 кГц призвана обеспечить баланс между стоимостью дросселей фаз, КНИ фазового тока и простотой конструкции ЭМИ-фильтра (частота третьей гармоники ниже 150 кГц). Дроссели фаз выполнены на сердечнике AMCC 50 Metglass 2605SA1, имеют индуктивность 400 мкГн и  обмотку из медной фольги. Для управления ключами по методу векторной ШИМ используется микроконтроллер TMS320F28335. Длительность мертвого времени была уменьшена до ~100 нс, чтобы снизить искажения формы сигнала в окрестностях точки перехода фазного напряжения через ноль. Итоговые графики КПД и КНИ, построенные по результатам измерений, приведены на рисунке 5. Эти графики свидетельствуют о том, что разработчикам удалось достичь технических показателей, к которым они стремились.

Рис. 5. Зависимость КПД и КНИ двухуровневого активного выпрямителя на SiC MOSFET от выходной мощности (слева) и сравнение КПД и оценочных значений плотности мощности с характеристиками выпрямителей типа «Vienna» с кремниевыми диодами (справа)

По сравнению с популярной трехуровневой топологией выпрямителя типа «Vienna» на основе кремниевых диодов, предложенное решение позволяет уменьшить потери мощности более чем на 30% (экономия электроэнергии), имеет более простую схему и более простое управление, сокращает список комплектующих, а также обеспечивает передачу энергии в обоих направлениях (технология V2G). Более подробную информацию о рассмотренном прототипе выпрямителя и о его сравнении с выпрямителем типа «Vienna» можно найти в [1].

Выводы

Ожидается, что в течение ближайших лет мировой рынок силовых полупроводниковых компонентов, используемых в автомобилестроении, вырастет более чем на 3 миллиарда долларов [3]. В связи с этим ключевым фактором, влияющим на повсеместное распространение электромобилей, становится наличие высокоэффективных быстрых зарядных устройств, как бортовых, так и внебортовых. Новые недорогие корпуса дискретных SiC MOSFET позволят разработчикам увеличить эффективность преобразования этих устройств, их удельную мощность, и, в конечном счете, снизить расход электроэнергии конечным потребителем. Разработанный типовой образец двухуровневого активного выпрямителя доказал, что обладающие превосходными характеристиками SiC MOSFET-транзисторы семейства C3M компании Wolfspeed даже при использовании простых топологии и метода управления обеспечивают 30-процентное снижение потерь мощности.