logotypen
 
 

IN FOCUS

Gallimnitridi tuo laatua, kestävyyttä ja luotettavuutta

Gallium-nitridi (GaN) tarjoaa merkittäviä etuja tehokkuuden ja tehotiheyden lisäämisessä, mikä mahdollistaa suunnittelijoille huomattavasti haastavampien virtalähdemääritysten täyttämisen verrattuna piipohjaisiin MOSFET-komponentteihin. Yksi kohtuullinen huolenaihe minkä tahansa uuden, merkittäviä etuja tarjoavan teknologian suhteen on sen kestävyys ja luotettavuus. Poistaaksemme mahdolliset epäilykset, joita käyttäjillä saattaa olla, tarkastellaan GaN-teknologian kestävyyttä, luotettavuutta ja laatua.

Lue lisää...

Piikarbidilla (SiC) on korkeampi dielektrinen läpilyöntilujuus, energiakaistaero ja lämmönjohtavuus kuin piillä. Näitä ominaisuuksia tehoelektroniikkasuunnittelijat voivat hyödyntää kehittääkseen tehokkaampia tehonmuuntimia, joiden tehotiheys on suurempi kuin pii-IGBT -komponentteihin perustuvissa malleissa.

Artikkkelin kirjoittaja Fatih Cetindag toimii sovellusinsinöörinä onsemin Automotive Power -divisioonassa.

Näissä sovelluksissa johtavuuden ja kytkentähäviöiden minimoiminen korkeilla taajuuksilla vaatii laitteita, joissa on alhainen RDS(on) ja rungon diodin käänteinen palautusvaraus (Qrr).

Tässä artikkelissa tarkastellaan komponenttien karakterisointitestien ja -simulaatioiden tuloksia 3-vaiheisissa PFC- eli tehokertoimenmuuntimissa (Power Factor Correction), jotka on toteutettu käyttämällä kahta erilaista piikarbidi-MOSFETia TO247-4L-koteloissa. Toinen testatuista piireistä kuuluu onsemin uuteen EliteSiC M3S -perheeseen, joka on optimoitu pienille kytkentähäviöille, ja toinen on kilpailijalta, jonka perusparametrit on esitetty taulukossa 1. Artikkelissa käsitellään myös sitä, miten laiteparametrit vaikuttavat niiden suhteelliseen suorituskykyyn.

Mitä tehohäviö tarkoittaa, kun MOSFETia käytetään kytkimenä?

Kytkentälaitteiden tehohäviöt voidaan luokitella johtavuus- ja kytkentähäviöiksi. Kytkentähäviöt johtuvat nousu- ja laskuajasta, koska virran tai jännitteen tasoa ei voida muuttaa hetkessä. Teho-MOSFET-jännitteelle ja -virralle nousu- ja laskuaika määräytyy sen mukaan, kuinka nopeasti laitteen loiskapasitanssit latautuvat ja purkautuvat. Lisäksi runkodiodin käänteinen palautusvaraus vaikuttaa myös kytkentähäviöihin.

Johtavuushäviöitä tapahtuu, kun laite on "päällä" eli johtavaa virtaa. Laitteen dynaamiset parametrit määräävät kytkentähäviöt, kun taas johtavuushäviöt liittyvät staattisiin parametreihin. Näitä parametreja tutkimalla suunnittelijat voivat saada käsityksen laitteen suorituskyvystä suhteessa tehohäviöihin. Pääsääntöisesti kytkentähäviöistä vastaavat parametrit ovat laitekapasitanssit (Coss, Ciss ja Crss) ja runkodiodin käänteinen palautusvaraus (Qrr). Sitä vastoin merkittäviä johtavuushäviöitä aiheuttavia tekijöitä ovat RDS(on) ja VSD.

Dynaaminen karakterisointitestaus

Aluksi dynaamiset karakterisointitestit, joissa käytettiin kaksoispulssitestiä, suoritettiin eri olosuhteissa vertaamaan kunkin MOSFETin kriittisiä parametreja, mikä on esitetty kuvassa 1. Myöhemmin suoritettiin 3-vaiheinen PFC-simulaatio vertaamaan kunkin MOSFETin järjestelmän kokonaistehokkuutta.

Kuva 1: Yksinkertaistettu kaavio kaksoispulssitestauspiiristä.

 

Taulukko 1: Kahden testatun piirin datalehtitiedot.

Staattisten parametrien vertailu

RDS(on) ja VSD (body diode Voltage drop) ovat kriittisimmät staattiset parametrit ja ne karakterisoitiin useissa testiolosuhteissa. Onsemi NVH4L022N120M3S testattiin kilpailijan A vaihtoehtoista SiC-MOSFETia vastaan. Taulukossa 2 esitetyt tulokset osoittavat, että onsemin NVH4L022N120M3S saavutti erinomaisen suorituskyvyn pienemmällä VSD:llä kaikissa mitatuissa lämpötiloissa ja virroissa. Nämä tulokset johtavat pienempiin johtavuushäviöihin.

Taulukko 2: VSD:n vertailu eri testiolosuhteissa.

RDS(on) on toinen kriittinen parametri, jota voidaan käyttää laitteen johtavuushäviöiden ennustamiseen. Siksi tämä parametri on luonnehdittu molemmille laitteille 25 °C:n ja 175 °C:n liitoslämpötiloissa. RDS(on)-mittaukset suoritetaan kahdella hilalähdejännitteellä, 15V ja 18V, käyttämällä 300 µs:n johtavuuspulssin leveyttä. Näiden testien tulokset osoittavat, että kilpailijalla A on hieman alhaisempi RDS(on) jokaisessa testitilanteessa, mikä merkitsisi pienempiä johtavuushäviöitä kuin M3S-piirillä tietyllä liitoslämpötilalla.

Kuva 2: Molempien MOSFETien RDS(on) vertailu 25 °C:ssa (vasemmalla) ja 175 °C:ssa (oikealla).

Dynaamiset parametrit

Vähemmistökuljettajien (minority carrier) puuttuminen SiC-pohjaisessa MOSFETissa tarkoittaa, että häntävirrat eivät estä niiden suorituskykyä, kuten piipohjaisissa IGBT-piireissä, ja johtaa siihen, että ne vähentävät merkittävästi sammutuskytkentähäviöitä. Lisäksi SiC-piireissä on pienempi käänteinen palautusvirta kuin pii-MOSFETeissa, mikä tarkoittaa pienempiä päällekytkentävirtoja ja pienempää päällekytkentähäviötä. Tulokapasitanssi (Ciss), lähtökapasitanssi (Coss), käänteinen siirtokapasitanssi (Crss) ja käänteinen palautusvaraus (Qrr) ovat parametreja, jotka vaikuttavat pääasiassa kytkentähäviöihin, ja pienemmät arvot johtavat yleensä pienempiin häviöihin.

Kytkentäsovelluksissa nielulähdejännite on merkittävästi korkeampi kuin 6 V kytkentätransienttivälien aikana, ja siksi korkeajännitealue on näiden kytkentäkäyrien kriittinen osa. NVH4L022N120M3S:n Ciss-, Coss- ja Crss-arvot ovat alhaisemmat (kuva 3), kun VDS ≥ 6 V, mikä tarkoittaa, että sen käynnistys- ja sammutushäviöt ovat pienemmät kuin kilpailijalla A.

Kuva 3: Tulon Ciss-, lähdön Coss- ja paluusiirron Crss-kapasitanssien vertailu.

Molempien piirien kytkentäenergiahäviöt mitataan käyttämällä kaksoispulssitestausta useissa kuormitusvirtaolosuhteissa 25 °C ja 175 °C lämpötiloissa, kuten kuvassa 4 ja kuva 5 on esitetty. Testiolosuhteet ovat:

  • Vin = 800 V
  • RG = 4.7 Ω
  • VGS_on = +18 V
  • VGS_off = −3 V
  • ID = 5 − 100 A

Kilpailijaan A verrattuna M3S:n kytkentähäviöt olivat keskimäärin 5 % pienemmät (25°C:ssa) ja 9 % pienemmät kytkentähäviöt (175°C:ssa) kuormitusvirroilla, jotka vaihtelivat välillä 10 A - 100 A. Suurin vaikutus tulee ylivoimainen EON-häviöteho onsemin M3S-prosessitekniikan ansiosta.

Kuva 4. Kytkentäenergiahäviöiden vertailu 25°C:ssa.

Kuva 5. Kytkentäenergiahäviöt 175°C:ssa.

Kuten aiemmin mainittiin, MOSFETin käänteinen palautumiskäyttäytyminen vaikuttaa myös kytkentähäviöihin. Tämä parametri testataan olosuhteissa, joissa ID = 40 A ja

di/dt = 3 A/ns (RG-arvoilla säädettynä samalle di/dt:lle) 25°C:ssa. Testitulokset osoittavat, että M3S:llä on parempi käänteisen palautumisen suorituskyky kuin kilpailijalla A lyhyemmän käänteisen palautusajan, alhaisemman käänteisen palautuslatauksen ja alhaisemman käänteisen palautusenergian ansiosta.

Kuva 6: M3S:n (vasemmalla) ja kilpailijan A (oikealla) käänteisten palautumistappioiden vertailu.

MOSFET-suorituskyvyn simulointi suosituissa autoteollisuuden topologioissa

Boost-tyyppiset PFC ja LLC, joissa on kaksi kelaa (LL) ja kondensaattori (C), ovat suosittuja piiritopologioita autojen sisäisissä latureissa ja korkeajännitteisissä DC/DC-muuntimissa. Boost-tyypin 3-vaiheinen PFC-topologia sisältää kuusi kytkinlaitetta, kun taas Full-Bridge LLC -topologiassa on neljä kytkinlaitetta sekä synkroninen tasasuuntaaja toisiopuolella.

Kuva 7: 3-vaiheinen boost-tyyppinen PFC (vasemmalla) ja Full−Bridge LLC (oikealla).

Johtavuus- ja kytkentähäviöiden arvioinnin jälkeen suoritettiin seuraavaksi 3-vaiheisen Boost-tyyppisen PFC-piirin simulaatiot (PSIM:ää käyttäen) järjestelmän tehokkuuden vertaamiseksi käyttämällä kutakin MOSFET-tyyppiä erikseen seuraavien testiolosuhteiden avulla:

  • VaLL = VbLL = VcLL = 400 V
  • fline = 50 Hz
  • RG = 4.7Ω
  • VOUT = 800 V
  • fSW = 100 kHz
  • POUT = 11 kW (max)

Simulointitulokset osoittavat, että NVH4L022N120M3S:ää käyttävä 3-vaiheinen Boost PFC -järjestelmä on tehokkaampi kaikissa toimintapisteissä kuin kilpailijan A piirit samassa järjestelmäsuunnittelussa.

Kuva 8: Simuloitu estimointi: Tehokkuusvertailu eri tehotasoilla.

M3S on parempi valinta kytkentäsovelluksiin

SiC-tehokomponentit tarjoavat useita etuja perinteisiin Si-laitteisiin verrattuna tehoelektroniikan sovelluksissa. Näihin kuuluvat korkeampi hyötysuhde, pienemmät kytkentä- ja johtavuushäviöt sekä kyky toimia korkeammilla taajuuksilla, mikä mahdollistaa suuremman tehotiheyden suunnittelun. Verrattuna vastaavaan kilpailevaan laitteeseen onsemin M3S-tekniikka tarjoaa erinomaisen kytkentätehon ja ansiot, mukaan lukien ETOT, QRr, VSD ja järjestelmän kokonaistehokkuus.

M3S-tekniikka on räätälöity vastaamaan sähköajoneuvojen suurtaajuisten kytkentäsovellusten, kuten sisäisten laturien ja suurjännitteisten DC/DC-muuntimien vaatimuksia. M3S-MOSFETit on suunniteltu saavuttamaan optimaalinen tasapaino johtavuuden ja kytkentähäviöiden välillä, mikä tekee niistä sopivia PFC- ja muihin kovakytkentäsovelluksiin.

MORE NEWS

Tektronixin mittauslaitteita saa jatkossa myös CN Roodilta

Hollantilainen ja mittaus- ja testausratkaisujen jakelija CN Rood laajentaa yhteistyötään Tektronixin kanssa ja alkaa edustaa yhtiötä nyt myös Suomessa, Tanskassa ja Norjassa. CN Rood on saavuttanut suuren menestyksen Tektronixin tuotteiden edustajana Alankomaissa, Belgiassa, Luxemburgissa ja Ruotsissa.

CES: Paristo lataa itsensä lamppujen valolla

Energian varastointiratkaisujen kehittävä japanilainen Nichicon ja ruotsalainen Epishine ovat esitelleet Las Vegasin CES-messuilla vallankumouksellisen itsestään latautuvan paristoratkaisun. Uusi SCB-EpNi-2500-000400-moduuli yhdistää Nichiconin huippuluokan LTO-paristot ja Epishinen ultrakevyet, joustavat orgaaniset aurinkokennot.

Nokialla jo 7000 5G-essentiaalipatenttien perhettä

Nokia ilmoitti tänään saavuttaneensa merkittävän rajapyykin, kun sen 5G-teknologiaan essentiaaleiksi julistettujen patenttiperheiden määrä on ylittänyt 7000. Yhtiön keskeiset keksinnöt, kuten innovaatiot 5G-radioiden protokollasuunnittelussa, 5G-turvallisuudessa ja käyttöliittymäteknologioissa määrittelevät, miten älypuhelimet, älyautot ja muut yhdistetyt laitteet kommunikoivat 5G-verkkojen kanssa.

HMD:n uutuus tuo hätäyhteydet satelliittien kautta

Suomalainen HMD Global on esitellyt uuden innovaation, HMD OffGrid -palvelun, joka hyödyntää huipputason satelliittiteknologiaa varmistaakseen yhteydet myös perinteisten mobiiliverkkojen ulottumattomissa. Pakettiin kuuluu OffGrid-laite, joka painaa vain 60 grammaa ja maksaa 169 euroa.

Liikeanturi tuo eleohjauksen pieniin laitteisiin

Bosch Sensortecin liikeanturit mahdollistavat tehokkaan eleohjauksen pienikokoisissa ja energiaa säästävissä älylaitteissa. Yhtiö esittelee uusia anturiratkaisuaan Las Vegasin CES-messuilla.

Suomalaisyritys kehuu sähkömoottoriaan maailman suorituskykyisimmäksi

Suomalainen teknologiayhtiö Donut Lab on esitellyt uuden sukupolven sähkömoottoriperheen, jonka se julistaa olevan maailman suorituskykyisin. CES-teknologiamessuilla julkistettu moottoriperhe tarjoaa viisi erilaista mallia, jotka on suunniteltu kattamaan laaja kirjo sähköajoneuvojen tarpeita. Donut Labin mukaan uusi teknologia voi mullistaa koko alan tarjoamalla poikkeuksellista suorituskykyä ja kustannustehokkuutta.

Tässä vuoden 2024 luetuin: Sähköauto petti odotukset monilla rintamilla

ETN:n päivittäinen uutistoiminta on paraikaa ansaitulla joulutauolla ja takaisin palaamme loppiaisen jälkeen. Viime vuonna luetuin uutisemme koski sähköautoja ja niiden markkinan hiipumista. Heikko markkina näkyi myös Kempowerin tuloskunnossa, kun se aloitti kesällä muutosneuvottelut. Syksyllä markkina kääntyi onneksi ainakin hieman lupaavampaan asentoon.

Näin sirumarkkinoilla käy ensi vuonna

Tekoälyn ja HPC-laskennan korkean suorituskyvyn tietojenkäsittelyn (HPC) kasvava kysyntä jatkuu vahvana, ja markkinat kasvavat yli 15 prosenttia vuonna 2025, arvioi IDC tuoreessa Worldwide Semiconductor Technology Supply Chain Intelligence -raportissaan.

Autojen uusin tutkapiiri erottaa jalankulkijan jopa 380 metrin päästä

Tyypillisesti autojen ADAS-järjestelmien tutkat näkevät 50–80 metrin päähän, parhaimmillaan jopa yli 200 metrin päähän. Infineonin uusin RASIC-sarjan tutkapiiri tunnistaa jalankulkijan selvästi kauempaa.

Järjestelmäpiireistä tuli juuri kaksi kertaa nopeampia

Alphawave Semi on esitellyt ensimmäisenä maailmassa 64 gigabitin sekuntinopeuteen yltävän UCIe-liitännän (Universal Chiplet Interconnect Express) sirujen välisiin yhteyksiin. Tämä kolmannen sukupolven teknologia nostaa sirujen välisten yhteyksien suorituskyvyn täysin uudelle tasolle.

Nokia demosi ensimmäisenä kvanttiturvallista mobiiliverkkoa

Nokia ja Turkcell ovat yhteistyössä saavuttaneet maailman ensimmäisenä kvanttiturvallisen IPsec-verkkosalauksen toteutuksen mobiiliverkkojen käyttöön. Tämä merkittävä saavutus edustaa kriittistä askelta mobiiliverkkojen suojaamisessa tulevaisuuden kvanttitietokoneiden aiheuttamia uhkia vastaan. Nokia ja Turkcell käyttävät uusimpia kryptografisia standardeja varmistaakseen, että mobiiliviestintä pysyy turvassa nykyisissä ja tulevissa uhkatilanteissa.

Pythonin suosio on ennennäkemätön

Python on noussut vuoden 2024 ylivoimaiseksi ohjelmointikieleksi, saavuttaen ennätykselliset 10 % kasvun suosiomittauksissa vuoden aikana. Tämä tekee siitä selkeän voittajan TIOBE-indeksissä, joka mittaa ohjelmointikielten suosiota maailmanlaajuisesti.

Aalto-yliopistoon rahoitus kvanttivirheiden korjaamisen tutkimukseen

Professori Mikko Möttönen on saanut Jane ja Aatos Erkon säätiöltä kolmevuotisen apurahan kehittämään tekniikkaa kvanttivirheiden korjaamiseksi. Hänen tutkimusryhmänsä kehittää ratkaisua, jonka avulla mikroaaltopulssit voidaan jatkossa pitää millikelvinin eli -273 asteen lämpötilassa.

Suomessa on Pohjoismaiden hitain kiinteä netti

Ranskalainen verkon nopeuksia mittaava nPerf ei anna Suomelle mitalisijaa Pohjoismaiden kiinteän verkkon mittauskisassa. Suomi on hitaampi kuin Tanska, Ruotsi tai Norja. Tanskaan tulee eroa keskimäärin 45,5 megabittiä sekunnissa liittymää kohti.

Onko Kiina hylkäämässä Bluetoothia?

Huawei on tuonut markkinoille uusia laitteita, jotka hyödyntävät NearLink-teknologiaa, mahdollistaen huomattavasti nopeamman, energiatehokkaamman ja luotettavamman viestinnän kuin perinteinen Bluetooth. NearLink, jota johtaa Kiinan NearLink Alliance -konsortio, on suunniteltu haastamaan vallitsevat lyhyen kantaman langattoman viestinnän standardit.

Autossa vaaditaan virheetöntä ohjelmistoa

Autoteollisuus on siirtymässä yhä monimutkaisempiin ohjelmistopohjaisiin järjestelmiin, joissa virheetön ohjelmisto on elintärkeää turvallisuuden ja suorituskyvyn varmistamiseksi. Ohjelmiston laatu ja luotettavuus eivät ole enää vain valinnaisia ominaisuuksia, vaan kriittisiä vaatimuksia erityisesti autonomisessa ajamisessa, kehittyneissä kuljettajaa avustavissa järjestelmissä (ADAS) ja yhdistetyissä ajoneuvojärjestelmissä.

Merkittävä innovaatio: suuntaava mikrofoni piistä

Kulutuselektroniikassa mikrofonit perustuvat yhä useammin piihin ja MEMS-rakenteisiin, jotka ovat tähän saakka olleet pääasiassa joka suuntaan kuuntelevia. Kanadalainen Soundskrit on nyt esitellyt ensimmäiset MEMS-pohjaiset suuntaavat mikrofonit, jotka lupaavat mullistaa mikrofonisuunnittelun ja parantaa merkittävästi äänen tallennuksen laatua.

Tekoäly edellyttää yhä nopeampia verkkoja

Kestävä digitaalinen infrastruktuuri on kriittinen, jotta tietoliikenneverkot voidaan tehokkaasti valjastaa tekoälyinnovaatioiden ja pilvipohjaisten palveluiden tarpeisiin. Tekoälyyn liittyvien datarikkaiden sovellusten lisääntyvä kysyntä edellyttää tietoliikenneverkkoa, joka kykenee käsittelemään suuria tietomääriä alhaisella viiveellä, kirjoittaa Orange Businessin kumppaniratkaisuista vastaava Carl Hansson.

EU haastaa Elon Muskin Starlinkin uudella IRIS²-satelliittiverkolla

Euroopan unioni ottaa merkittävän askeleen avaruusteknologian kehittämisessä allekirjoittamalla sopimuksen uuden IRIS²-satelliittijärjestelmän toteuttamisesta. Tämä 290 satelliitin verkko on suunniteltu vahvistamaan Euroopan itsenäisyyttä ja turvallista yhteydenpitoa.

Tärkeä työkalu millimetrialueen mittaamiseen

Saksalainen Rohde & Schwarz on esitellyt uuden CS-MC53-mikroaaltomuuntimen, joka tarjoaa ainutlaatuisia mahdollisuuksia millimetrialueen (mmWave) ja 5G:n korkeiden taajuusalueiden mittaamiseen. Tämä innovatiivinen laite laajentaa nykyisten mittausjärjestelmien taajuusaluetta jopa 53 GHz:iin ja vastaa kasvavaan tarpeeseen mitata ja analysoida tarkasti 5G-verkon suorituskykyä.

Miksi MEMS-ajoitus on kvartsia parempi?

Jotta voidaan vastata uuden teknologian vaatimuksiin ja pitää järjestelmät toimimassa ”kellon tavoin”, on aika harkita ajoitusratkaisuja uudelleen. Tässä kaksiosaisessa "Precision Timing" -artikkelissa opit, miksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-komponentteihin perustuvat piiajoituslaitteet päihittävät kvartsin elektroniikkasuunnittelun uudella aikakaudella. 

Lue lisää...

Tekoäly edellyttää yhä nopeampia verkkoja

Kestävä digitaalinen infrastruktuuri on kriittinen, jotta tietoliikenneverkot voidaan tehokkaasti valjastaa tekoälyinnovaatioiden ja pilvipohjaisten palveluiden tarpeisiin. Tekoälyyn liittyvien datarikkaiden sovellusten lisääntyvä kysyntä edellyttää tietoliikenneverkkoa, joka kykenee käsittelemään suuria tietomääriä alhaisella viiveellä, kirjoittaa Orange Businessin kumppaniratkaisuista vastaava Carl Hansson.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
Tapahtuma: Winter Satellite Workshop 2025
Espoo Otaniemi / Dipoli, 21. - 23.1.2025
Lisätietoja täällä
 
Tapahtuma: EMC -seminaari (Kotel)
Tampere 5. – 6.2.2025. Lisätietoja: asiakaspalvelu@rohde-schwarz.com

R&S -seminaari: Demystifying SA and VNA
Oulussa 12.2.2024 ja Vantaalla 13.2.2024
Ilmoittautuminen: asiakaspalvelu@rohde-schwarz.com

 
R&S -koulutus: RF Mittaustekniikan 2-päiväinen koulutus (huom. maksullinen)
Vantaalla 12.-13.3.2025
Ilmoittautuminen: RF Mittaustekniikka - Rohde & Schwarz Finland Oy
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 

NEWSFLASH

 
article