ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
ECF26 infobanner

IN FOCUS

AI-agentit tuovat älykkään automaation piirien ja piirilevyjen suunnitteluun

Puolijohde- ja piirilevysuunnittelun seuraavaa vaihetta määrittävät kaksi rinnakkaista tavoitetta. Ensinnäkin halutaan kasvattaa suunnittelutyökalujen suorituskykyä. Lisäksi on tärkeää parantaa suunnittelijoiden tuottavuutta.

Lue lisää...

ETNtv

 
ECF25 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan
  • Aku Wilenius, CN Rood
  • Tiitus Aho, Tria Technologies
  • Joe Hill, Digi International
  • Timo Poikonen, congatec
  • ECF25 panel
ECF24 videos
  • Timo Poikonen, congatec
  • Petri Sutela, Testhouse Nordic
  • Tomi Engdahl, CVG Convergens
  • Henrik Petersen, Adlink Technology
  • Dan Still , CSC
  • Aleksi Kallio, CSC
  • Antti Tolvanen, Etteplan
ECF23 videos
  • Milan Piskla & David Gustafik, Ciklum
  • Jarno Ahlström, Check Point Software
  • Tiitus Aho, Avnet Embedded
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Pasi Suhonen, Rohde & Schwarz
  • Joachim Preissner, Analog Devices
ECF22 videos
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Timo Poikonen, congatec
  • Kimmo Järvinen, Xiphera
  • Sigurd Hellesvik, Nordic Semiconductor
  • Hans Andersson, Acal BFi
  • Andrea J. Beuter, Real-Time Systems
  • Ronald Singh, Digi International
  • Pertti Jalasvirta, CyberWatch Finland
ECF19 videos
  • Julius Kaluzevicius, Rutronik.com
  • Carsten Kindler, Altium
  • Tino Pyssysalo, Qt Company
  • Timo Poikonen, congatec
  • Wolfgang Meier, Data-Modul
  • Ronald Singh, Digi International
  • Bobby Vale, Advantech
  • Antti Tolvanen, Etteplan
  • Zach Shelby, Arm VP of Developers
ECF18 videos
  • Jaakko Ala-Paavola, Etteplan CTO
  • Heikki Ailisto, VTT
  • Lauri Koskinen, Minima Processor CTO
  • Tim Jensen, Avnet Integrated
  • Antti Löytynoja, Mathworks
  • Ilmari Veijola, Siemens

ETN

TMSNet  advertisement
ETNdigi
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Share on Facebook Share on Twitter Share on LinkedIn

TECHNICAL ARTICLES

GET RID OF THE LOSSES WITH 4TH GENERATION SiC MOSFET

Tietoja
Kirjoittanut Veijo Ojanperä
Julkaistu: 10.11.2022
  • Devices
  • Power

ROHM introduces a compact evaluation kit to demonstrate the high performance of the company’s 4th generation SiC MOSFETs in a state-of-the-art Totem Pole PFC. In addition to showing key performance metrics such as efficiency measurements the paper describes some design challenges of the topology at hand and how they were addressed in order to obtain a PFC with universal input.

The Totem Pole PFC (TP-PFC) topology as such has been discussed in multiple articles in the past [1]. With the availability of WBG semiconductors that feature high performant body diodes it is becoming very attractive. Its key advantage over the traditional boost PFC is that it eliminates low frequency rectification and the power loss associated with the forward drop of a 50 Hz rectifier. Thus, efficiencies above 98% can be achieved and, if a suitable secondary stage with a similar efficiency is used, the 80+ Titanium target efficiency can be reached.

In Figure 1, a picture of the featured evaluation kit (EVK) that implements the TP-PFC with rated input current of 16A is provided alongside some of the design specifications. The key devices in use in this board are highlighted in Figure 1. In addition to 4th Generation SiC MOSFETs this design uses ROHM Si SJ MOSFETs, as well as the gate drivers BM61S41/BM61M41 and other components from ROHM, such as the shunt resistor and the flyback switching regulator IC in the auxiliary power supply.

Figure 1 – TP-PFC EVK and specifications.

The performance of the developed EVK is illustrated in the following plots showing the measured efficiency and the achieved input power factor at both 230V and 115V AC input. Regarding the efficiency, it should be noted that this includes all on-board power consumption of the auxiliary power supplies for the gate drivers, the low voltage electronics, and the cooling fan. It can be seen that the requirement of a power factor > 0.95 at 20% load is reached. If the PFC circuit is combined with a DC/DC stage of suitably high efficiency the design can also meet the efficiency requirements of 80+ Titanium.

The following paragraphs discuss how this design has been developed and how certain challenging aspects of this topology were addressed. Amongst these challenges are:

  • Finding the correct settings for blanking and deadtime.
  • Safe automatic start-up on the grid's universal input voltage.
  • Soft start around the AC zero-crossing to minimize current spikes.

Beforehand, the benefits of ROHM’s 4th generation SiC MOSFETs are going to be highlighted.

ROHM 4th GENERATION
SiC MOSFET

The new SiC MOSFETs realize a substantial reduction of 40% in the on-state resistance per unit area compared to the 3rd generation SiC MOSFETs. This reduction is achieved without sacrificing short circuit robustness – making the new devices extremely high performing and robust.

In addition, the switching losses in the 4th generation SiC MOSFETs are 50% less than in the 3rd generation thanks to a drastically reduced gate-drain parasitic capacitance “CGD”. This translates to a higher conversion efficiency.

 

Figure 2: TP-PFC circuit diagram.

For driving the gate, in contrast to the 18V gate-source voltage “VGS” required in the 3rd generation and earlier SiC MOSFETs, the new products support a more flexible gate voltage range (15-18V). In addition, due to the reduction in the “CGD” parasitic capacitance and hence the CGS to CGD ratio, the 4th generation SiC MOSFETs can be safely turned off with just 0V without parasitic turn-on that may be caused by a high dVDS/dt.  As a result, the gate driver circuit can be simplified by eliminating the need for a negative bias for turn off.

 

Figure 3- Measured efficiency and power factor: a) Measured efficiency (left), b) Measured power factor (right).

Figure 4: On-state resistance and switching loss reduction in ROHM's 4th generation SiC MOSFETs. On state resistance reduction in 4th generation SiC MOSFETs (left), Switching loss comparison 3rd vs 4th generation SiC MOSFETs (right).

Table 1 shows ROHM’s 750V and 1200V 4th generation SiC MOSFET line up. The devices are available in THD-through hole TO-247N and TO-247-4L as well as in the SMD version TO-263-7L. The automotive qualification is planned for all devices marked with an asterisk (*).

 

Table. ROHM’s 4th generation SiC MOSFETs line up: 750V MOSFET line up on the left, 1200V MOSFET line up on the right.

BLANKING AND DEAD TIME SETTING

The errors associated with the AC zero-crossing detection as well as the parasitic elements of the MOSFETs must be taken into consideration when setting the PWM control. In this TP-PFC EVK, a 50µs blanking time has been inserted around the AC zero-crossing. During which, the four switches are turned OFF shortly before the zero-crossing, either from positive to negative or from negative to positive, to prevent shoot-through. The control loop is frozen during this time to prevent the integrator build-up from causing an unwanted high current spike by applying a large PWM pulse in the next turn on. A short blank time enables higher controllability over the current waveform, lower THD and relatively higher efficiency. However, the minimum blanking time is limited by the controller sampling rate and the line frequency.

In addition to the blanking time around the AC zero-crossing, a suitable dead time must be set between the control commands of the complementary SiC MOSFETs. From the BM61S41 gate driver datasheet, the propagation delay has a maximum value of 65ns. Adding another 10ns max for the PWM propagation mismatch results in an absolute minimum dead time of 75ns. To account for the turn-off and turn-on delays of the SiC MOSFETs and to have some margin, the dead time for this board was set to 150ns. Of course this needs to be evaluated for each design and is also impacted by the selection of turn-on and turn-off gate resistances.

AUTOMATIC START-UP ON A UNIVERSAL GRIP INPUT

The TP-PFC EVK is equipped with a PTC for pre-charge in parallel with a bypass relay. At start-up, the relay is turned off and the bulk capacitors are pre-charged through the PTC to a safe threshold before turning on the relay and operating the converter. This prevents a circuit damage due to high inrush currents. The EVK was tested over the full universal input range [85Vac-265Vac] and has been proven to be safe for an automatic start up even at 265Vac. Thanks to the implemented Second Order Generalized Integrator - Frequency Locked Loop (SOGI-FLL), this EVK is also able to track and detect drifts in the grid’s frequency of 50±3 Hz or 60±3 Hz.

Figure 5: PFC automatic start-up vs AC input voltage. Left: Automatic start-up 110Vac, 400Vdc, right: Automatic start-up 230Vac, 400Vdc.

MEASURES TO MINIMIZE CURRENT SPIKES FOLLOWING AC ZERO-CROSSING

In the TP-PFC topology, the MOSFET’s switching sequence is of the essence. A failure to understand and observe the control challenges in a TP-PFC can lead to improper operation, unexpected EMI issues or even failure of the power devices. The most common challenge that is inherent to this topology is the occurrence of current spikes at the AC zero-crossing [2],[3]. These are mainly caused by the output parasitic capacitor “COSS” and the associated reverse recovery charge “Qrr” of the line frequency switched MOSFETs, which are only changing state on the AC zero-crossing. A detailed analysis of the AC current spikes and waveforms in a TP-PFC topology is presented in [2].

In ROHM’s TP-PFC EVK a soft-start sequence is implemented after every AC zero crossing. This involves a ramping of the duty cycles applied to the high frequency SiC MOSFETs (Q2, Q4) and fine control over the turn-on of the low frequency Si SJ MOSFETs. The implementation of this soft start achieved significantly reduced current spikes. The implemented MOSFET’s switching sequence is shown in Fig. 6.

Figure 6: MOSFETs soft start in TP-PFC.

The MOSFETs Q2 and Q4 are complementary switched. During the negative half cycle, the Q2 MOSFET is the active switch which is controlled by the calculated duty cycle “D”. During this time, the Q4 MOSFET is operating in synchronous rectification mode at “1-D” duty cycle. Note that the Q1 MOSFET is only switched at the grid’s frequency and stays on during the full negative half cycle to provide a low impedance return path to the mains. The operation reverses again during the positive half cycle and the high side and low side MOSFETs of each leg interchange their function.

As the input voltage changes polarity from negative to positive half cycle, and right after the AC zero crossing, the soft start sequence of the Q4 MOSFET kicks in. This sequence consists of applying an increasing factor to the pulse width in a way that gradually increases the on time of this MOSFET from 0% to 100% of the calculated “D”-cycle. While doing this, the Q1 MOSFET completely reverse recovers and the “VDS” of Q3 reduces to ground. Thus, the positive current spike, caused by the slow recovery of Q1 and the high “VDS” voltage across the Q3 MOSFET, is eliminated.

Knowing that the AC voltage is very low right after the zero crossing and since the inductor is already charged to the DC bus voltage, a large negative reverse current will flow through the inductor back to the mains. This leads to a high negative current spike when turning on the Q2 synchronous MOSFET even at “1-D” duty cycle. Therefore, once Q4 reaches the full “D”-cycle, the soft start is also applied to the Q2 synchronous MOSFET to reduce this negative spike to near zero. Simultaneously, as Q2 softly starts, Q3 must be turned on to provide the current path back to the mains.

A large negative current spike will also appear at the AC zero-crossing if the Q3 MOSFET is turned on too late after the soft start of Q2 is completed as detailed in [2].

EXPERIMENT RESULTS

Figure 7 shows the input current waveform around the AC zero-crossing with and without the soft start.

Note that, since the ''1-D'' is very small when Q2 first turns on, it becomes even smaller and tends to zero when multiplied by the soft start factors. Depending on the used gate driver, Q2 may stay off for a couple of PWM cycles until the ''1-D'' term becomes larger than the gate driver’s minimum PWM on time. This results in a remaining, but very small, positive, and negative current spike at each AC zero crossing.

 

Figure 7: Input current spikes at AC zero crossing with and without soft start method (red: IAC, green: VAC). Left) Traditional control without soft start, right) With soft start method.

The MOSFETs’ control sequence explained in the previous section was implemented and tested in the 3.6 kW TP-PFC EVK. From the test results, without this control method, both negative and positive current spikes are present. The application of the soft start to both active and synchronous MOSFETs, as well as turning on the low frequency MOSFETs at the right moment, has shown better current waveforms and helped achieved much lower THD.

SUMMARY

The presented TP-PFC EVK shows a high performance in major design aspects, including control features and a high efficiency, reaching 98.5% while including all on-board power consumption of the auxiliary power supplies and the cooling fan. Both low on-state resistance and low switching loss of the 4th generation SiC MOSFETs helped in the achievement of such performance.

The results demonstrate how suitable these new products are for many power conversion applications such as for example server and data center power supplies, telecommunication, industrial power supplies (SMPS), energy storage systems as well as inside electric vehicles (e.g., OBC) where high power density, efficiency, simple gate circuit and short circuit robustness are required.

 

By Abdelmouneim Charkaoui, Christian Felgemacher
 & Jochen Hüskens, ROHM Semiconductor

MORE NEWS

Auton näyttöä ei enää tarvitse testata kameralla

Autojen näyttöjen ja kameroiden testaus voidaan tehdä jatkossa suoraan nopeiden SerDes-liitäntöjen kautta ilman erillistä kameraa tai visuaalista tarkastusta. Emerson on esitellyt NI-teknologiaan perustuvan modulaarisen testialustan, joka on suunnattu erityisesti autojen näyttö- ja kamerajärjestelmien validointiin.

Ruotsalaistutkijat kavensivat transistorikanavan 25 nanometriin

Atominohuiden puolijohteiden transistorikanavia voidaan kaventaa erittäin pieniksi ilman, että suorituskyky romahtaa. Chalmersin ja Stanfordin tutkijat ovat valmistaneet 2D-transistoreita, joiden kanavan leveys on vain 25 nanometriä.

SSD:stä tulee tekoälyagenttien pitkäkestoinen muisti

Tekoälyagenttien yleistyminen muuttaa myös datakeskusten tallennusarkkitehtuuria. Silicon Motionin mukaan SSD-levyistä on tulossa yhä tärkeämpi osa tekoälypalvelinten muistihierarkiaa, kun agenttien pitää säilyttää kontekstia pitkien ja jatkuvien päättelyketjujen aikana.

Agentit muuttavat PC:n jatkuvasti ajattelevaksi työkaluksi

Qualcomm Technologiesin tuotehallinnan päällikkö Mallika Gattala arvioi, että generatiivisen tekoälyn seuraava suuri harppaus on agenttipohjainen tekoäly. Hänen mukaansa PC on nousemassa keskeiseksi alustaksi, jossa tekoäly ei enää pelkästään vastaa kysymyksiin, vaan työskentelee jatkuvasti käyttäjän rinnalla.

Ilma voi pilata akun jo ennen valmistusta

Sähköautojen seuraavan sukupolven akkukennojen käyttöikä voi alkaa lyhentyä jo ennen kuin itse akkua on valmistettu. Eteläkorealaisen Hanyang Universityn tutkijat havaitsivat, että katodimateriaalin prekursorin altistuminen ilmalle voi synnyttää kemiallisia muutoksia, jotka myöhemmin nopeuttavat akun kapasiteetin heikkenemistä.

Bittium uskoo puolustusbuumin jatkuvan pitkään

Bittiumin vahva kasvu ei yhtiön mukaan ole vain Ukrainan sodan synnyttämä hetkellinen ilmiö. Toimitusjohtaja Petri Toljamo arvioi puolivuosikatsauksen yhteydessä järjestetyssä lehdistötilaisuudessa, että Euroopan puolustusinvestoinnit jatkuvat korkealla tasolla vielä pitkään, vaikka Ukrainaan saataisiin rauha.

Joko taittuvien puhelimien läpimurto alkaa?

Samsungin uusien Galaxy Z -mallien ennakkotilaukset ovat kasvaneet Euroopassa yli 20 prosenttia viime vuodesta. Vaikka taittuvanäyttöiset puhelimet ovat edelleen vain pieni osa koko älypuhelinmarkkinaa, yhtiön mukaan kysyntä on nyt selvästi aiempaa vahvempaa.

Tekoäly tekee nopeuskamerasta monitoimivalvojan

Euroopan teille on tulossa uuden sukupolven nopeusvalvontajärjestelmiä, joissa perinteinen tutka vaihtuu yhä useammin tekoälyä hyödyntävään konenäköön. Samalla nopeuskameroiden tehtävä laajenee pelkästä ylinopeuden mittaamisesta useiden eri liikennerikkomusten automaattiseen tunnistamiseen.

Natriumakku lähestyy litiumionin tasoa

Kiinalaisen Hina Batteryn kaupallinen natriumioniakku yltää valmistuslaadultaan ja useissa suorituskykymittauksissa jo nykyaikaisten litiumioniakkujen tasolle. RWTH Aachenin yliopiston tutkimuksessa analysoitiin 120 sylinterimäistä 10 ampeeritunnin kennoa.

Joensuulainen SeeTrue ratkoo älylasien suurinta ongelmaa

Joensuulainen SeeTrue Technologies on kerännyt 2,2 miljoonan euron rahoituskierroksen. Kierrosta johtaa optiikka- ja fotoniikkajätti ZEISSin sijoitusyhtiö ZEISS Ventures. Rahoituksella SeeTrue aikoo kaupallistaa vähävirtaista silmänseuranta-arkkitehtuuriaan älylaseihin, terveydenhuollon optisiin järjestelmiin ja teollisiin sovelluksiin.

Uusi muististandardi tuo suuret tekoälymallit puhelimeen

Samsungin ja Kioxian julkistamat ensimmäiset UFS 5.0 -flashmuistit kertovat, että mobiiliteollisuus valmistautuu seuraavaan vaiheeseen laitteessa ajettavassa tekoälyssä. Uusi muististandardi lähes kaksinkertaistaa tiedonsiirtonopeuden aiempaan sukupolveen verrattuna ja poistaa yhden keskeisistä pullonkauloista suurten kielimallien suorittamisessa suoraan päätelaitteessa.

Selainkeksi kelpaa rikolliselle paremmin kuin salasana

Selaimen tallentamasta keksistä on tullut kyberrikollisille arvokkaampi saalis kuin salasanasta. NordVPN:n tutkijoiden analysoimissa tietovarkausaineistoissa evästetietoja esiintyi 4,6 kertaa enemmän kuin salasanoja, tiedostoja ja maksukorttitietoja yhteensä.

PCIe 6.0 tuo SSD-levyt AI-palvelimien seuraavaan vauhtiluokkaan

Kioxia on esitellyt ensimmäiset PCIe 6.0 -väylää hyödyntävät yritysluokan SSD-levynsä. Uutuus ei tähtää tavallisiin palvelimiin vaan tekoälyklustereihin, joissa nopea flash-muisti toimii GPU-muistin jatkeena suurten kielimallien ajossa.

Promptit ovat uusi tietoturvariski

Työntekijöiden tekoälyn käyttö on synnyttänyt yritysverkkoihin uudenlaisen tietoturvahaasteen. Verkossa liikkuu yhä enemmän AI-prompteja, autonomisten agenttien kutsuja ja MCP-yhteyksiä, jotka voivat sisältää lähdekoodia, liiketoimintatietoa tai muuta arkaluonteista aineistoa. Perinteiset palomuurit eivät ole osanneet tunnistaa tällaista liikennettä.

Sulautettu linux kertoo itse, mistä se koostuu

Saksalainen Sysgo on julkaissut ELinOS 8 -käyttöjärjestelmän, joka kertoo automaattisesti, mistä sulautetun laitteen ohjelmisto on rakennettu. Uuden version kärki on jokaisessa käännöksessä syntyvä ohjelmiston tuoteseloste eli SBOM.

Varateho voi pahentaa datakeskuksen lämpöongelmaa

ETN - Technical articleTekoälypalvelinten kasvava tehotiheys tekee datakeskusten varmistamisesta aiempaa monimutkaisempaa. Ylimääräiset teholähteet voivat parantaa käyttövarmuutta, mutta samalla ne lisäävät lämpökuormaa ja häiritsevät ilmavirtoja. Siksi tehonsyöttö, varmennus ja jäähdytys on suunniteltava yhtenä kokonaisuutena.

Reunaäly vaatii uudenlaisen siruarkkitehtuurin

Paikallinen tekoälylaskenta voi tyhjentää pienen laitteen akun jo ennen lounasta. Ambient Scientificin mukaan ongelmaa ei ratkaista vain tehokkaammilla prosessoreilla, vaan siirtämällä laskenta mahdollisimman lähelle muistia.

Tekoälypalvelin saa lisää muistivauhtia

Renesas nostaa DDR5-palvelinmuistin nopeuden 16 000 megasiirtoon sekunnissa. Kolmannen sukupolven MRDIMM-piirisarja kasvattaa muistiväylän kaistanleveyttä 25 prosenttia ilman siirtymistä kokonaan uuteen muistitekniikkaan.

Iceye paljastaa pimeänä matkaavat varjolaivat

Aluksen paikannuslähettimen sammuttaminen ei enää riitä peittämään sen liikkeitä. Iceyen tutkasatelliitit havaitsevat merellä liikkuvat alukset pilvien, sateen ja pimeyden läpi, minkä jälkeen tekoäly tunnistaa kuvasta epäilyttävät kohteet, yhtiö kertoo blogissaan.

Nigel-tekoäly laajenee LabVIEW-testaamiseen

Emerson laajentaa NI Nigel-tekoälyn koko LabVIEW+-ohjelmistoperheeseen. Samalla Nigel siirtyy neuvonantajasta tekijäksi. Tekoäly voi tuottaa LabVIEW-koodia ja rakentaa TestStand-testisarjoja luonnollisella kielellä annettujen ohjeiden perusteella.

TMSNet  advertisement

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Varateho voi pahentaa datakeskuksen lämpöongelmaa

ETN - Technical articleTekoälypalvelinten kasvava tehotiheys tekee datakeskusten varmistamisesta aiempaa monimutkaisempaa. Ylimääräiset teholähteet voivat parantaa käyttövarmuutta, mutta samalla ne lisäävät lämpökuormaa ja häiritsevät ilmavirtoja. Siksi tehonsyöttö, varmennus ja jäähdytys on suunniteltava yhtenä kokonaisuutena.

Lue lisää...

OPINION

Agentit muuttavat PC:n jatkuvasti ajattelevaksi työkaluksi

Qualcomm Technologiesin tuotehallinnan päällikkö Mallika Gattala arvioi, että generatiivisen tekoälyn seuraava suuri harppaus on agenttipohjainen tekoäly. Hänen mukaansa PC on nousemassa keskeiseksi alustaksi, jossa tekoäly ei enää pelkästään vastaa kysymyksiin, vaan työskentelee jatkuvasti käyttäjän rinnalla.

Lue lisää...

 

LATEST NEWS

  • Auton näyttöä ei enää tarvitse testata kameralla
  • Ruotsalaistutkijat kavensivat transistorikanavan 25 nanometriin
  • SSD:stä tulee tekoälyagenttien pitkäkestoinen muisti
  • Agentit muuttavat PC:n jatkuvasti ajattelevaksi työkaluksi
  • Ilma voi pilata akun jo ennen valmistusta

NEW PRODUCTS

  • Bluetooth haastaa UWB:n etäisyysmittauksessa
  • 6 watin DC/DC-muunnin mahtuu tuuman koteloon
  • Lisäkortilla 10 megabitin 4G-yhteys IoT-laitteisiin
  • Yksi anturi korvaa neljä mikrokytkintä autossa
  • Murata kutisti 100 voltin autokondensaattorin 0805-kokoon
 
 

Section Tapet