Tehonsyöttöjärjestelmien suunnittelijat ovat halukkaita ottamaan piikarbidiin perustuvat tehokytkimet käyttöön, mutta niiden toimittajilta vaaditaan paljon. On osoitettava SiC-tekniikan suorituskyky ja kestävyys, toimitettava kytkinmoduuleille riittävän alhaisen induktanssin omaavia kotelovaihtoehtoja sekä tarjottava kehittyneitä hilaohjaimia, joiden avulla voidaan suojata kohdejärjestelmää ja hienosäätää sen parametreja.

Piikarbidiin (SiC) perustuvien tehokomponenttien valikoima on laajentunut nopeasti. Seuraava haaste on yksinkertaistaa loppukäyttäjien suunnitteluprosessia. Tehonsyöttöjärjestelmien kehittäjät kaipaavat kokonaisvaltaisia ratkaisuja, jotka käsittelevät tavanomaisia suunnitteluelementtejä erillisinä, mutta ottavat huomioon myös niiden vuorovaikutuksen.

Tämän vuoksi eturivin SiC-toimittajien tulee ensinnäkin osoittaa oman piikarbidipohjaisen MOSFET-tekniikkansa suorituskyky ja kestävyys. Lisäksi niiden odotetaan avustavan suunnitteluun liittyvissä haasteissa tarjoamalla tehokytkimille alhaisen induktanssin omaavia kotelovaihtoehtoja ja kehittyneitä hilaohjaimia, joiden avulla voidaan tukea, suojata ja hienosäätää kohdejärjestelmän parametreja.

Näiden avaintekijöiden huolellinen tarkastelu antaa mahdollisuuden entistä yksinkertaisempaan evaluointiin ja suunnitteluun niille, jotka haluavat hyödyntää SiC-tekniikan tarjoamia järjestelmätason parannuksia.

Vankka ja kestävä SiC MOSFET

Toimiakseen tehonsyöttöketjun tärkeimpänä lenkkinä SiC-pohjaisen MOSFETin on osoitettava kestävyytensä useilla avainalueilla, joilla ne ovat aiemmin olleet haavoittuvia. Piipohjaisten MOSFETien tavoin nekin ovat kohdanneet haasteita ulkoisten virheiden vuoksi: hilaoksidialueen epäpuhtaudet, varausongelmat ja materiaalivirheet ovat saattaneet aiheuttaa monenlaisia epävakauksia ja vikamekanismeja.

Näiden riskien eliminointi edellyttää, että tuotantoasteelle edenneellä SiC-MOSFETilla on vakaa kynnysjännite, luotettava hilaoksidikerros, vankka sisäinen runkodiodi sekä vahva toiminta vyörytilanteissa. Jokainen ominaisuus on erikseen validoitava hyväksymistestein, sillä parametrien vakaus ja pysyvyys voivat vaihdella dramaattisesti eri valmistajien kesken.

SiC-pohjaisen MOSFETin kynnysjännitteen (V_th) vakauden testaamiseksi yleinen tapa on käyttää positiivista (p-HTGB) ja negatiivista (n-HTGB) korkean lämpötilan hila-bias-stressitestiä tilastollisesti riittävään määrään komponentteja ja yksinkertaisesti verrata niiden kynnysjännitearvoja ennen ja jälkeen stressitestin.

Esimerkkitapauksessa p- ja n-testit tehtiin erillisille 1200 voltin SiC-MOSFET -ryhmille (64 komponenttia) 1000 tunnin ajan. Kynnysjännitteen keskimääräinen muutos oli p-testissä +59,6 millivolttia ja n-testissä -22,8 mV. Tällä vakauden tasolla kehittäjät saavat näin ennustettavan kynnysjännitearvon, jonka puitteissa voidaan tehdä tiukempia pitkän ajan suunnitteluvalintoja.

Tehokytkimen mahdollisimman luotettava hilaoksidi on tärkeä tekijä kaikissa sovelluksissa - etenkin niissä, jotka edellyttävät toiminnan pitkäikäisyyttä. Esimerkkitapauksessa hilaoksidin luotettavuuden määrittämiseksi tehtiin kolmelle 1200 voltin SiC-MOSFET -ryhmälle QBD-mittaukset (charge-to-breakdown). Kaikki havaitut virheet olivat tyypiltään luontaisia, mikä osoittaa prosessin korkeaa kypsyysastetta.

Tuloksena saadut FIT- (Failures in Time) ja MTTF-lukemat (Mean Time to Failure) laskettiin laajemmasta 192 komponentin populaatiosta. P-HTGB-testin tuloksena saatiin 20 virhettä (per 10⁹ h) ja 5618 vuotta, ja n-HTGB-testissä FIT-lukema oli 93 ja MTTF-lukema 1233 vuotta. Loppukäyttäjät voivat näin huojentuneena todeta, että tulokset ovat yhdenmukaisia useiden eri toimittajien TDDB-raporttien (time-dependent dielectric breakdown) kanssa.

SiC-rakenteen pn-liitosten bipolaarista rappeutumista on ilmiönä tutkittu paljon. Jos se tapahtuu SiC-MOSFETin runkodiodissa, nähdään nousua sekä johtavan tilan resistanssissa että jännitehäviössä diodin yli virtakommutoinnin aikana (ilmenee vahingollisena ajautumisena kolmannen kvadrantin lähtöominaisuuksissa). Onneksi SiC-komponenttien puolijohdemateriaalit ovat viime aikoina parantuneet laadultaan, ja tuotantoon käytettävien materiaalien kidevirhetiheys on vähentynyt. Silti jokaisen toimittajan SiC-komponentit tulee evaluoida.

Ohion yliopistossa testattiin hiljattain useiden eri valmistajien toimittamien 1200 voltin SiC-komponenttien runkodiodin huonontumista 100 tunnin stressitestin seurauksena täydellä nimellisvirralla (V_GS = -5 V). Testi paljasti merkittäviä eroja johtavan tilan resistanssilukemissa stressijakson jälkeen. Ainoastaan toimittajan C komponentissa ei havaittu heikentymistä (kuva 1). Kolmannen kvadrantin tiedot vahvistivat runkodiodin rappeutuneen testissä (paitsi toimittajan C tapauksessa).

Kuva 1. Kolmannen kvadrantin data osoittaa, että vain toimittajan C tarjoamassa SiC-MOSFETissa ei tapahtunut runkodiodin rappeutumista. Lähde: Tohtorit Anant Agarwal ja Minseok Kang, Ohion yliopisto.

Toinen tärkeä arvioitava parametri on vyöryvirran sietokyky. Sitä testataan induktiivisella UIS-kytkennällä (unclamped inductive switching). MOSFETille syötetään off-tilassa tehoa, joka pakottaa kaiken virran vyörynä sirun reunoille, koska MOS-kanavan syntyä ei edistetä. Tämä eroaa oikosulkukestoisuuden testistä, jossa MOSFET on johtavassa tilassa ja virta jakautuu tasaisemmin sirun koko aktiiviselle alueelle.

Todellisten kenttäolojen jäljittelemiseksi SiC-MOSFET -komponentille syötetään toistuvasti UIS-pulsseja (R-UIS), ja parametrien vakautta sekä oksidikerroksen eheyttä verrataan ennen pulsseja (100 000) ja niiden jälkeen virran ollessa kaksi kolmasosaa nimellisvirrasta (MIL-STD-750 mukaisesti). Tässä tapauksessa R-UIS-pulssien syöttäminen ei vaikuttanut jännitearvoihin V_BR, V_th eikä runkodiodin lukemaan V_F, mikä kertoo erinomaisesta vyöryvirran sietokyvystä.

Alhaisen induktanssin tehokotelo

Kun SiC MOSFETin toiminnan luotettavuus on osoitettu, SiC-pohjaisen kokonaisvaltaisen ratkaisun seuraava tärkeä elementti on optimoitu tehokotelo. Tehokkaasti toimivan monisiruisen moduulikotelon tulisi antaa suunnittelijoille mahdollisuus hyödyntää piikarbidin tarjoamia etuja ennemmin kuin estää niiden hyödyntämistä.

Tässä on otettava huomioon useita eri vaatimuksia. Koska SiC MOSFET -siru on kooltaan melko pieni, niitä on kytkettävä useita rinnakkain riittävän alhaisen on-resistanssin saavuttamiseksi. Lisäksi rinnakkain kytkettyjen sirujen on kyettävä ajoitukseltaan yhtenäiseen ja yhdenmuotoiseen virranjakoon. Tästä syystä on varmistettava sekä symmetrisyys että alhainen induktanssi sirujen liittämisessä käytettävien menetelmien avulla.

Hyvä esimerkki on Microchipin kehittämä SP6LI-kotelo, joka lisää ainoastaan 2,9 nanohenryn (nH) suuruisen hajainduktanssin tehosilmukkaan, kun tavanomaisissa moduulikoteloissa loisinduktanssit ovat tyypillisesti yli 20 nH luokkaa. Tehosilmukan induktanssia on pienennetty järjestämällä DC-linkin liitännät liuskajohtojen muodostamiksi kiskoiksi. Substraatin liitännät on jaettu symmetrisesti ja ne sijaitsevat mahdollisimman lähellä puolijohdesirua.

Hila-lähde-silmukassa käytetään erillisiä hilavastuksia kullekin kahdestatoista mahdollisesta ylä- ja alapuolisen kytkimen sirupaikasta ajoituksen ja virranjaon optimoimiseksi. Erilliset hilavastukset alentavat hila-lähdepiirin loisinduktanssia ja suojaavat läpilyöntitapahtumilta sekä minimoivat kytkentähäviöitä.

Älykäs hilaohjain tuo joustoa

Ohjausmenetelmä on kolmas kriittinen tekijä, joka vaaditaan kokonaisvaltaiseen SiC-järjestelmäratkaisuun. SiC-MOSFETin nopeat kytkentäominaisuudet asettavat optimoimattoman järjestelmän alttiiksi EMI-virheille ja lyhytkestoisille jännitepiikeille. Siksi tarvitaan uudenlaista hilaohjaustekniikkaa, jonka avulla suunnittelija voi säätää kytkintoiminnan dynamiikkaa ja saavuttaa optimaalisen kompromissin. Lisäksi hilaohjaimen on havaittava syöksyaaltotilanteet ja reagoitava niihin nopeasti, sillä SiC-MOSFET -rakenne sietää niitä vähemmän aikaa kuin useimmat piipohjaiset IGBT-transistorit.

Käyttämällä patentoitua lisätyn kytkennän AS-tekniikkaa (Augmented Switching) uusimmat digitaaliset hilaohjainratkaisut mahdollistavat tauon pitämisen käyttäjän määrittämän keskitasoisen V_GS-arvon tasolla halutun pituisena, jotta Miller-kapasitanssin varaus saadaan puretuksi ennen kuin edetään off-tilan V_GS-arvoon (kuva 2). Tämä poikkeaa perinteisistä lähestymistavoista, jotka vievät V_GS-jännitteen suoraan on-tasosta off-tasoon eivätkä anna suunnittelijalle mahdollisuutta välttää järjestelmän muita, hankalammin vältettäviä sudenkuoppia, kuten kuorman liitoskaapelin hajainduktanssin tuottamia ongelmia. Dramaattiset kompromissit jänniteylityksen ja tehokkuuden välillä voidaan todellakin toteuttaa vain pienillä AS-profiilin muutoksilla (V_GS-tasot ja viiveaika).

Kuva 2. Digitaaliset hilaohjaimet, jotka hyödyntävät lisätyn kytkennän menettelyä (AS), tunnistavat yksinkertaisesti ja suoraviivaisestisuunnittelun optimaaliset kohdat ja ilmaisevat niiden tuoman hyödyn käyttäjille.

Kuvassa 3 on esitetty sammutusvaiheen aaltomuodot käyttäen kahta lisätyn kytkennän AS-profiilia sekä 1200 voltin SiC-MOSFET -moduulia D3-kotelossa (106 x 62 x 31 mm). Kuvasta havaitaan, että valitsemalla alempi välitason V_GS-arvo voidaan vähentää kytkentähäviöitä, kun hyötysuhde on etusijalla. Korkeamman V_GS-arvon käyttö taas vähentää V_DS-jännitteen ylitystä ja pehmentää kaikkien kolmen aaltomuodon värähtelyä. Mukana toimitettua ohjelmallista määritystyökalua käyttämällä hilaohjaimen asetuksia voidaan hienosäätää kehitystyön kaikissa vaiheissa vain hiirtä klikkaamalla sen sijaan, että tarvitsisi viettää tunteja juotoskolvi kourassa.

Kuva 3. Sammutuksen aaltomuodot paljastavat SiC-MOSFET -moduulin käyttämän lisätyn kytkennän (AS) vaikutukset.

Digitaaliset hilaohjaimet voivat myös lisätä järjestelmän älykkyyttä. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi täysin erilaisen sammutusprofiilin käyttöönottoon vikatapauksissa turvallisen käytön varmistamiseksi. Sisällyttämällä AS-menettely oikosulkusuojaukseen voidaan täydentää alhaisen hilaresistanssin R_g käyttöä sekä saada MOSFET siirtymään pehmeämmin ja ohjatummin off-tilaan, jolloin vyörytilanteen todennäköisyys vähenee. Tätäkin konfiguroitavampia ominaisuuksia ovat muun muassa reaaliaikaiset diagnostiset testit kuten DC-linkin jännitteen ja lämpötilan valvonta.

Kun tehoelektroniikan suunnittelijat siirtyvät piipohjaisista IGBT-kytkimistä piikarbidipohjaisiin SiC-MOSFET -kytkimiin, heidän on luotettava entistä vahvemmin komponenttien toimittajiin ja niiden tarjoamiin kriittisiin elementteihin, joita tarvitaan kokonaisvaltaisen järjestelmäratkaisun luomiseen. Niihin kuuluvat kestäviksi todetut SiC-MOSFET -komponentit ja niiden erittäin alhaisen induktanssin omaavat kotelot sekä uusi luokka älykkäitä hilaohjaimia, jotka helpottavat järjestelmän optimointia. Kaikki nämä ovat edellytyksiä sille, että SiC-suunnittelu ensimmäisistä evaluoinneista aina kenttäkäyttöön asti saadaan sujumaan virtaviivaisesti.