Piikarbidi eli SiC päihittää piipohjaiset ratkaisut huippunopeissa kytkentäsovelluksissa. Eri valmistajien SiC-MOSFETeilla on kuitenkin eroja eri parametrien suhteen. Onsemin kehittämä M3S-tekniikka tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn ja alhaiset häviöt, mikä varmistaa koko järjestelmälle suuren tehotiheyden ja korkean hyötysuhteen.

Piikarbidilla (SiC) on korkeampi dielektrinen läpilyöntilujuus, energiakaistojen väli ja lämmönjohtavuus kuin piillä (Si). Näitä ominaisuuksia tehoelektroniikan suunnittelijat voivat hyödyntää kehittääkseen energiatehokkaampia muuntimia, joiden tehotiheys on suurempi kuin piipohjaisiin IGBT-kytkimiin perustuvilla muuntimilla. Näissä sovelluksissa johtavuus- ja kytkentähäviöiden minimointi suurilla taajuuksilla vaatii kytkintransistorin, jolla on alhainen R_DS(on) -arvo ja pieni runkodiodin estosuunnan elpymisvaraus (Q_rr).

Seuraavassa tarkastellaan kytkinkomponenttien karakterisointitestien ja -simulaatioiden tuloksia kolmivaiheisissa PFC-muuntimissa (Power Factor Correction), jotka on toteutettu käyttäen kahta erilaista SiC MOSFETia pakattuina TO247-4L-koteloon. Toinen testatuista komponenteista kuuluu onsemin uuteen EliteSiC M3S -perheeseen, joka on optimoitu toimimaan vähäisin kytkentähäviöin. Toinen taas on kilpailijan vastaava komponentti. Niiden datalehdistä poimitut perusparametrit nähdään taulukossa 1.

Tämän lisäksi käsitellään myös sitä, kuinka kytkintransistorien eri parametrit vaikuttavat niiden suhteelliseen suorituskykyyn.

MOSFETin tehohäviöiden merkitys

Kytkinkomponenttien tehohäviöt voidaan luokitella johtavuus- ja kytkentähäviöihin. Kytkentähäviöt aiheutuvat nousu- ja laskuajoista, koska virran tai jännitteen tasoa ei voida muuttaa välittömästi. Teho-MOSFETin jännitteen ja virran nousu- ja laskuajat määräytyvät sen mukaan, kuinka nopeasti kytkimen loiskapasitanssit varautuvat ja purkautuvat. Lisäksi runkodiodin estosuunnan elpymisvaraus vaikuttaa myös kytkentähäviöihin.

Sen sijaan johtavuushäviöt ilmenevät, kun kytkin on saatettu on-tilaan eli johtaa virtaa. Kytkintransistorin dynaamiset parametrit määräävät kytkentähäviöt, kun taas johtavuushäviöt liittyvät staattisiin parametreihin. Näitä parametreja tutkimalla suunnittelijat voivat saada käsityksen kytkinkomponentin suorituskyvystä suhteessa tehohäviöiden määrään.

Kytkentähäviöistä eniten vastuussa ovat kytkintransistorin hajakapasitanssit (C_oss, C_iss ja C_rss) sekä runkodiodin estosuuntainen elpymisvaraus (Q_rr). Sitä vastoin merkittäviä johtavuushäviöitä aiheuttavia tekijöitä ovat R_DS(on) ja V_SD (runkodiodin jännitehäviö).

Dynaaminen karakterisointitestaus

Aluksi kaksoispulssia hyödyntävät dynaamiset karakterisointitestit suoritettiin kuvan 1 testauspiirillä eri olosuhteissa vertaamaan kummankin MOSFETin kriittisiä parametreja. Sen jälkeen suoritettiin kolmivaiheinen PFC-simulaatio, jolla verrattiin koko järjestelmän energiatehokkuutta kummallakin MOSFETilla.

Kuva 1. Kaksoispulssia hyödyntävän testauspiirin pelkistetty kaavio.

Taulukko 1. Kahden testatun SiC MOSFETin tekniset tiedot datalehdistä.

Staattisten parametrien vertailu

Resistanssiarvo R_DS(on) ja jännitearvo V_SD (runkodiodin jännitehäviö) ovat kriittisimmät staattiset parametrit ja testissä ne karakterisoitiin useissa eri olosuhteissa. Onsemin valmistama NVH4L022N120M3S testattiin kilpailijan A valmistamaa vaihtoehtoista SiC MOSFETia vastaan.

Taulukossa 2 nähtävät tulokset osoittavat, että onsemin SiC MOSFET saavutti erinomaisen suorituskyvyn pienemmällä V_SD-arvolla kaikilla virroilla ja kaikissa lämpötiloissa. Nämä mittaustulokset takaavat sille alhaisemmat johtavuushäviöt.

Taulukko 2. Runkodiodin jännitehäviön (V_SD) vertailu eri testausolosuhteissa.

Johtavan tilan resistanssiarvo R_DS(on) on toinen kriittinen parametri, jota voidaan käyttää kytkinkomponentin johtavuushäviöiden ennustamiseen. Siksi tämä parametri on karakterisoitu kummallekin komponentille 25°C ja 175°C liitoslämpötiloissa. R_DS(on)-arvon mittaukset on tehty kahdella eri hila-lähdejännitteellä (15 ja 18 V) käyttäen 300 mikrosekunnin pituista johtavuuspulssia. Testien tulokset osoittavat, että kilpailijalla A on hieman pienempi R_DS(on) kaikissa testiolosuhteissa, mikä merkitsee näissä liitoslämpötiloissa hieman pienempiä johtavuushäviöitä kuin M3S:llä.

Kuva 2. Testattujen MOSFETien R_DS(on)-arvojen vertailu 25°C (vas.) ja 175°C (oik.) liitoslämpötiloissa.

Dynaamiset parametrit

Vähemmistövarauksenkuljettajien puuttuminen SiC MOSFETista tarkoittaa, että häntävirrat (tail current) eivät haittaa sen suorituskykyä kuten IGBT-transistorilla. Tämän ansiosta sen kytkentähäviöt sammutusvaiheessa ovat merkittävästi pienemmät. Lisäksi SiC-kytkimellä on vähäisempi estosuunnan elpymisvaraus kuin pii-MOSFETilla, mikä tarkoittaa alhaisempia virtapiikkejä ja kytkentähäviöitä päälle kytkettäessä.

Tulokapasitanssi (C_iss), lähtökapasitanssi (C_oss), estosuunnan siirtokapasitanssi (C_rss) ja estosuunnan elpymisvaraus (Q_rr) ovat ne parametrit, jotka pääasiassa vaikuttavat kytkentähäviöihin ja joiden alhaisemmat arvot johtavat yleensä pienempiin häviöihin.

Kytkentäsovelluksissa nielu-lähdejännite on merkittävästi yli 6 volttia kytkentätransienttien aikana, ja siksi korkeiden jännitteiden alue on kytkentää kuvaavien käyrien kriittinen osa. Onsemin MS3:n kapasitanssiarvot (C_iss, C_oss ja C_rss, kuva 3) ovat pienemmät silloin, kun V_DS on yli 6 volttia. Tämä tarkoittaa, että sen käynnistys- ja sammutushäviötkin ovat pienemmät kuin kilpailijalla A.

Kuva 3. Kapasitanssien C_iss, C_oss ja C_rss vertailu.

 Kummankin transistorin kytkentäenergiahäviöt on mitattu käyttäen kaksoispulssitestiä useilla kuormitusvirroilla lämpötiloissa 25°C ja 175°C, kuten kuvista 4 ja 5 nähdään. Testaus suoritettiin seuraavissa olosuhteissa:

• 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) ja 9% pienemmät (175°C), kun kuormitusvirrat vaihtelivat välillä 10 – 100 A. Suurin etu syntyy ylivoimaisesta suorituskyvystä E_ON-häviöiden suhteen, mikä taas on onsemin kehittämän M3S-prosessitekniikan ansiota.

Kuva 4. Kytkentäenergiahäviöiden vertailu 25°C lämpötilassa.

Kuva 5. Kytkentäenergiahäviöt 175°C lämpötilassa.

Kuten aiemmin mainittiin, MOSFETin estosuunnan elpymiskäyttäytyminen vaikuttaa myös kytkentähäviöihin. Tämä parametri on testattu olosuhteissa, joissa I_D = 40 A ja di/dt = 3 A/ns (R_G-arvot säädettyinä samalle di/dt-arvolle) 25°C lämpötilassa. Testitulokset osoittavat, että M3S:llä on parempi estosuunnan elpymisen suorituskyky kuin kilpailijalla A lyhyemmän elpymisajan, alhaisemman elpymisvarauksen ja vähäisemmän elpymisenergian ansiosta.

Kuva 6. M3S:n (vas.) ja kilpailijan A (oik.) estosuunnan elpymishäviöiden vertailu.

Simulointi autojen topologioissa

Boost-tyyppinen PFC-muunnin sekä kaksi kelaa ja kondensaattorin sisältävä LLC-piiri ovat suosittuja piiritopologioita ajoneuvojen sisäänrakennetuissa latureissa ja HV-luokan DC/DC-muuntimissa. Kolmivaiheinen boost-tyypin PFC-topologia sisältää kuusi kytkinkomponenttia, kun taas täyteen siltaan kytketyssä LLC-topologiassa on neljä kytkintransistoria sekä synkroninen tasasuunnin toisiopuolella.

Kuva 7. Vasemmalla boost-tyyppinen kolmivaiheinen PFC-muunnin ja oikealla täyssillaksi kytketty LLC-piiri.

Johtavuus- ja kytkentähäviöiden arvioimisen jälkeen seuraavaksi suoritettiin kolmivaiheisen boost-tyypin PFC-piirin simulointi (PSIM-ohjelmistoa käyttäen) koko järjestelmän energiatehokkuuden eli hyötysuhteen vertaamiseksi. Simulointi tehtiin käyttäen kumpaakin MOSFET-tyyppiä erikseen seuraavissa olosuhteissa:

• VaLL = VbLL = VcLL = 400 V
• fline = 50 Hz
• RG = 4,7Ω
• VOUT = 800 V
• fSW = 100 kHz
• POUT = 11 kW (max)

Simulaation tulokset osoittavat, että M3S-kytkintä hyödyntävä kolmivaiheinen boost-tyypin PFC-järjestelmä on energiatehokkaampi kaikissa toimintapisteissä kuin kilpailijan A valmistamaa kytkintä käyttävä, muilta osin samanlainen järjestelmä.

Kuva 8. Simuloitu estimaatio kertoo järjestelmän hyötysuhteen eri tehotasoilla.

Paras valinta kytkentäsovelluksiin

SiC-komponentit tarjoavat lukuisia etuja tehoelektroniikan sovelluksiin perinteisiin piipohjaisiin transistoreihin verrattuna: parempi hyötysuhde, pienemmät kytkentä- ja johtavuushäviöt sekä kyky toimia suuremmilla taajuuksilla. Tämä mahdollistaa suurempaan tehotiheyteen yltävän suunnittelun.

Vastaavaan kilpailevaan komponenttiin verrattuna onsemin SiC-transistoritekniikka M3S tarjoaa kytkentäsovelluksiin erinomaisen suorituskyvyn. Etuina ovat korkeatasoiset suoritusarvot E_TOT, Q_rr, V_SD ja koko järjestelmän energiatehokkuus.

M3S-tekniikka on räätälöity vastaamaan sähköajoneuvojen suuritaajuisten kytkentäsovellusten vaatimuksia. Sovelluskohteita ovat esimerkiksi autojen sisäiset laturit sekä suurella jännitetasolla toimivat DC/DC-muuntimet. M3S-perheen MOSFETit on suunniteltu saavuttamaan optimaalinen tasapaino johtavuus- ja kytkentähäviöiden välillä, mikä tekee niistä oivan ratkaisun tehokerrointa korjaaviin PFC-muuntimiin ja muihin kovan luokan kytkentäsovelluksiin.