Com o artigo, você aprenderá as características do uso de transistores e diodos MOSFET de carboneto de silício, como escolher um elemento e uma comparação com dispositivos de silício (Si) e, o mais importante, os resultados de meus experimentos e pesquisas para desacelerar o comutação de transistores SiC, realizada no meu desenvolvimento recente - a fonte de abastecimento de energia solar.
Sob o corte, um pouco de análise e prática no campo da eletrônica de potência - bem-vindo.
Carboneto de silício
O carboneto de silício é um material semicondutor de grande espaço usado na fabricação de diodos, transistores e tiristores. O carboneto de silício entrou em minha prática como desenvolvedor de eletrônica de potência por muito tempo. Há cerca de dez anos, li um artigo da Infineon que o uso de um diodo SiC em um corretor de fator de potência (PFC) pode aumentar significativamente a eficiência do conversor. Aplicado. E mesmo comparando-o com um diodo de silício - de fato, o ganho acabou sendo muito significativo. Desde então, apliquei diodos e transistores de SiC em muitos projetos.
Vamos ver quais vantagens os MOSFETs de SiC têm sobre os de silício:
- (Ciss) (Coss) , ;
- Qg, ;
- RDSon, ( );
- RDSon ;
- ;
- .
Para não ser infundado, proponho comparar os parâmetros de um transistor de carboneto de silício com outros semelhantes baseados em Si. Para comparação, eu escolhi um Wolfspeed (Cree) SiC MOSFET (C3M0060065K), bem como um par de transistores Infineon das famílias C7 (IPW65R065C7) e CFD7 (IPW60R070CFD7). Esses transistores são selecionados entre as famílias principais, uma vez que podem, de alguma forma, competir em parâmetros elétricos com o carboneto de silício.
Olhando para esta comparação, podemos dizer que o carboneto de silício é superior aos transistores de silício em todos os aspectos (exceto pelo preço). Algumas palavras sobre a resistência do canal R DSon . Na verdade, este parâmetro para os transistores de Si selecionados é ligeiramente mais baixo para condições normais, mas isso é mais do que compensado pela dependência de temperatura muito forte de R DSon .
A próxima imagem mostra os dados de dependência de dois transistores. Percebe-se que a uma temperatura de 100 ° C (coloquei pontos nos gráficos) o excesso para o carboneto de silício é de apenas 10% e para um transistor de silício de 65%.
Os semicondutores de potência nunca funcionam à temperatura ambiente, e o efeito da temperatura do cristal na resistência do canal direto pode ser bastante significativo. Esse recurso sempre deve ser levado em consideração ao calcular as perdas estáticas e escolher os transistores. O gráfico mostra que mesmo a uma temperatura de 75 ° C, no cálculo do valor R DSon efetivo para o silício, um fator de correção de 1,4 deve ser aplicado.
Vimos os benefícios do carboneto de silício, qual é o outro lado da moeda?
O que pode impedir você de usar um SiC-MOSFET?
Preço. Embora o acima seja uma comparação de preços, esta é uma seleção de dispositivos PP mais ou menos equivalentes (digamos, de primeira classe). E o problema pode ser resolvido com transistores mais baratos. Por exemplo, NTHL095N65S3HF - um transistor de silício comum da ONsemi, 650V, 36A, custa apenas $ 4,86 e em um lote de 100 peças é ainda mais barato - $ 3,3. Tudo bem que a resistência do canal seja um pouco maior, ele cumprirá sua tarefa, será simplesmente menor que a eficiência do conversor. Com um desejo especial, você pode encontrar um transistor de um bom fabricante chinês por US $ 2,5.
Comutação muito rápida. Por um lado, isso é uma vantagem - as perdas dinâmicas são reduzidas. Mas, por outro lado - valores negativos, grandes de dV / dt levam a um aumento no nível de interferência, tanto conduzida quanto irradiada. Mas ninguém cancelou a certificação e os testes da EMC.
A necessidade de controle de porta bipolar (bloqueio ativo). Sim, transistores SiC estão aparecendo, onde o DS diz que isso não é necessário. Mas para ser honesto, eu não faria isso para aplicações industriais pesadas.
Falta de padrões para quebra de avalanche. Para ser honesto, esse fato foi uma surpresa para mim. Na verdade, esses padrões (classificação de avalanche) para transistores de SiC estão ausentes no DS. Os principais fornecedores são silenciosos "com tato", embora eu tenha conseguido encontrar isso no site da ROHM Semiconductor .
Depois de ler estudos independentes sobre a decomposição por avalanche de carboneto de silício, ficou claro que este é um verdadeiro buraco de minhoca e, talvez, uma revisão deste tópico esteja além do escopo deste artigo. A única coisa que pode ser observada é que a tensão da quebra de avalanche do SiC-MOSFET é significativamente (1,5-1,8 vezes) maior do que a tensão da fonte de drenagem de limite.
Um pouco sobre diodos de carboneto de silício
Os diodos SiC são amplamente utilizados em corretores de fator de potência (PFC, PFC). KKM é quase sempre um conversor boost, respectivamente, comutação difícil e grande oscilação de tensão. Um diodo de recuperação reversa rápida é ideal aqui. Especialmente para modo de corrente contínua (CCM) quando a comutação está energizada.
Se antes, quando o preço dos diodos de carboneto de silício era relativamente alto, poderia haver algumas opções, agora, sem dúvida, coloque apenas esses excelentes diodos no KKM.
Outras aplicações também podem ser encontradas, como retificadores de alta tensão.
Estudo do processo de comutação SiC-MOSFET
Ao planejar o desenvolvimento de uma fonte de alimentação com uma tensão de entrada de até 1.500 V, comecei a estudar com antecedência as características do uso de transistores de carboneto de silício. Eu estava especialmente interessado nos valores críticos da taxa de aumento da tensão dreno-fonte (dV / dt), bem como nos métodos para desacelerar a comutação. Conseguimos obter respostas a estas perguntas no webinar de um dos distribuidores:
Depois que a primeira iteração do conversor foi construída e depurada, decidi fazer algumas pesquisas sobre a possibilidade de desacelerar o processo de comutação. O conversor é feito em topologia de meia ponte, a potência é 100 W, a tensão de alimentação é 750 V, o controle do transistor é feito de acordo com o seguinte esquema:
Com o aumento da resistência dos resistores de porta (R2, R3), foram medidos os valores da duração dos flancos de chaveamento, bem como a eficiência de todo o conversor. Para ser honesto, eu esperava que, quando as frentes fossem apertadas, as perdas dinâmicas aumentariam e a eficiência cairia. Na realidade, o resultado foi diferente - as mudanças na eficiência não foram significativas. Mais precisamente, quando medido com um amperímetro embutido na fonte de alimentação, a diferença não foi perceptível devido à baixa resolução deste medidor. Percebi meu erro e medi novamente usando um amperímetro mais preciso.
Nos pontos extremos, obtive os seguintes valores:
- com uma resistência de porta de 5,6 Ohm, a eficiência é 85,0%;
- com uma resistência de porta de 330 Ohm, a eficiência é de 84,46%.
Assim, a potência adicional é de cerca de 0,5 W. Pode-se supor que isso seja uma consequência de um aumento apenas nas perdas dinâmicas. Mesmo neste caso, dividimos por dois transistores e obtemos 0,25 W de dissipação de potência adicional por switch. Eu não diria que isso é muito. Além disso, 330 ohms no portão é um valor totalmente impossível! Para ser honesto, foi assustador instalar esses resistores (os desenvolvedores da fonte de alimentação vão me entender) e eu me pergunto como a fonte com uma tensão de entrada de 750V não queimou. Mas, como se costuma dizer, o que você não pode fazer pelo bem da ciência
Oscilogramas da tensão da fonte de drenagem da chave inferior com resistores de porta de 5,6 Ohm:
Oscilogramas da tensão da fonte de drenagem da chave inferior com resistores de porta de 220 Ohm:
Tempos de comutação versus valores do resistor de porta:
Claro, eu estava muito interessado no que acontece no portão com um resistor de portão de 330 ohms. A prateleira de Miller não era tão grande:
Conclusão
Gostaria de lembrar que o objeto de estudo foi uma fonte de alimentação de 100 W com tensão de entrada de 200-750 V (CC). Tensão de saída 24V. Topologia - meia ponte. Transistores de potência C2M1000170D (carboneto de silício).
Portanto, a maior taxa de variação obtida de tensão no dreno é de 18 V / ns, que é significativamente menor do que os valores limites de dV / dt 100-150 V / ns.
Uma conclusão importante que pode ser tirada desses estudos é que atrasar as frentes de chaveamento dos transistores de carboneto de silício aumentando os resistores de porta não é particularmente eficaz. Na minha opinião, em um design real, você pode se dar ao luxo de instalar um resistor de porta de 22 ohms, bem, talvez 47 ohms em alguns casos. Pode-se verificar pelos resultados do estudo que em tais valores, não há arrasto significativo das frentes.
Com relação ao uso de semicondutores de carboneto de silício - diodos indispensáveis de SiC em qualquer PFC (se não houver metas de preço realmente rígidas), quanto aos transistores, deduzi por mim mesmo várias condições sob as quais eles devem ser usados:
- alta tensão de entrada do conversor (500-1500V);
- temperatura ambiente elevada ou más condições de resfriamento;
- é necessária maior compactação da solução (portanto, escolhemos uma frequência mais alta);
- alta eficiência é necessária;
- Quero me
sentir bempara experimentar novas tecnologias de eletrônica de potência.
Você pode usar minhas recomendações ou sugerir as suas. Em qualquer caso, deixe seus desenvolvimentos serem eficientes e confiáveis! E, até nos encontrarmos novamente.
Poder é legal - lide com isso.