ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT USCONTACT
Sep # TME square

ETNtv

Watch ECF videos

 
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

logotypen

 2022  # square  (4)
TMSNet  advertisement
ETNdigi
Sep # Farnell sajt skyskrapa
A la carte
AUTOMATION DEVICES EMBEDDED NETWORKS TEST&MEASUREMENT SOFTWARE POWER BUSINESS NEW PRODUCTS
ADVERTISE SUBSCRIBE TECHNICAL ARTICLES EVENTS ETNdigi ABOUT US CONTACT
Tweet

TECHNICAL ARTICLES

Piikarbidi tuo huippunopeuden kytkentäsovelluksiin

Tietoja
Kirjoittanut Veijo Ojanperä
Julkaistu: 15.09.2023
  • Power

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.

Artikkelin kirjoittaja Fatih Cetindag toimii onsemi-yhtiön Automotive Power -divisioonassa sovellusinsinöörinä. 

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 RDS(on) -arvo ja pieni runkodiodin estosuunnan elpymisvaraus (Qrr).

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 (Coss, Ciss ja Crss) sekä runkodiodin estosuuntainen elpymisvaraus (Qrr). Sitä vastoin merkittäviä johtavuushäviöitä aiheuttavia tekijöitä ovat RDS(on) ja VSD (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 RDS(on) ja jännitearvo VSD (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 VSD-arvolla kaikilla virroilla ja kaikissa lämpötiloissa. Nämä mittaustulokset takaavat sille alhaisemmat johtavuushäviöt.

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

Johtavan tilan resistanssiarvo RDS(on) on toinen kriittinen parametri, jota voidaan käyttää kytkinkomponentin johtavuushäviöiden ennustamiseen. Siksi tämä parametri on karakterisoitu kummallekin komponentille 25°C ja 175°C liitoslämpötiloissa. RDS(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 RDS(on) kaikissa testiolosuhteissa, mikä merkitsee näissä liitoslämpötiloissa hieman pienempiä johtavuushäviöitä kuin M3S:llä.

Kuva 2. Testattujen MOSFETien RDS(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 (Ciss), lähtökapasitanssi (Coss), estosuunnan siirtokapasitanssi (Crss) ja estosuunnan elpymisvaraus (Qrr) 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 (Ciss, Coss ja Crss, kuva 3) ovat pienemmät silloin, kun VDS on yli 6 volttia. Tämä tarkoittaa, että sen käynnistys- ja sammutushäviötkin ovat pienemmät kuin kilpailijalla A.

Kuva 3. Kapasitanssien Ciss, Coss ja Crss 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 EON-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 ID = 40 A ja di/dt = 3 A/ns (RG-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 ETOT, Qrr, VSD 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.

back to top
MORE NEWS

Pian lentokentän skannerista voi kävellä suoraan läpi

Millimetriaalloilla voi siirtää dataa nopeasti, mutta tekniikka auttaa myös nopeuttamaan esimerkiksi lentokenttien turvatarkastusta. Frankfurtin lentokentällä kokeillaan skanneria, jonka läpi matkustajat voivat kävellä. Laite on ensimmäinen laatuaan maailmassa.

Suositusta ohjaimesta suojattu yhteys pilveen

STMicroelectronics on esitellyt ohjelmistot, joiden avulla sen uusimpiin STM32H5-mikro-ohjaimiin perustuvat IoT-laitteet voidaan yhdistää suojatusti ja turvallisesti Microsoftin Azure IoT Hubiin tai Amazonin AWS IoT -alustalle.

Melkoinen yllätys: Nvidia nousee suurimmaksi tänä vuonna

Intel on ollut suurin puolijohdetalo niin pitkään kuin muistaa, mitä nyt Samsung välillä kävi kärjessä muistiensa ansiosta. Tänä vuonna puolijohdetalojen listan kärkeen nousee kuitenkin pitkästä aikaa uusi nimi: Nvidia.

Mitä tarkoittaa halogeeniton kaapelissa?

Kaapeleiden ja johtojen ominaisuuksien luetteloista löytyy usein ”halogeenittomuus”, ”itsestään sammuva” tai kaikenlaisia ”salaisia” lyhenteitä, kuten LSZH. Mitä ne oikein tarkoittavat?

Joko nyt MEMS korvaa kiteet ajastuksessa?

Laitteita on iät ja ajat tahdistettu kvartsikiteillä, mutta tulevaisuus kuuluu MEMS-kellopiireille. Näin ainakin uskoo alueen pioneeri SiTime, joka sanoo uuden Epoch-alustansa mullistavan ajatuksen niin mobiiliverkoissa, teollisuudessa kuin kulutuselektroniikassa.

Tehokas teollisuustietokone luottokortin puolikkaalla

AMD tunnetaan toki ennen kaikkea PC-prosessoreistaan, mutta yhtiöllä on tuotevalikoimassaan myös erittäin tehokkaita valmiita kortteja teollisuuteen. Yhtiö kehuu niistä termillä järjestelmämoduuli eli SOM (system-on-module). Uusin tehopaukkaus on kooltaan vain puolet luottokortista.

Suomalainen tekniikka suojaa kvanttihyökkäyksiltä

Loppusyksystä espoolainen Xiphera julkisti ensimmäisen kvanttiturvallisen tuotteensa, joka voidaan IP-lohkona integroida FPGA- ja ASIC-piireille. Nyt yhtiö kertoo ensimmäisestä asiakkaastaan xQlve-tuotteelle: QuickLogic aikoo tuoda sen eFPGA-piireilleen.

Vanha troijalainen iskee päivittämättömään Exceliin

Kyberturvallisuusyhtiö Fortinet on julkaissut raportin, joka käsittelee pahamaineisen Agent Tesla -troijalaisen uutta versiota. Tämä tunnettu haittaohjelmaperhe tunkeutuu koneelle .NET-pohjaisen etäohjattavan troijalaisen ja niin sanotun tietovarkaan avulla.

Röntgen kertoo, kuinka hyvin litiumionit virtaavat

Vaikkapa sähköauton akku latautuu sitä tehokkaammin, mitä paremmin litiumionit virtaavat sen sisällä. Ionien reaktiivisuutta parantamalla voidaan parantaa latauksen tehokkuutta. MIT:n tutkijat ovat tarttuneet haasteeseen röntgenkuvauksella.

USB ja Bluetooth samassa pienessä paketissa

Ranskalainen Insight SiP on tunnettu pienikokoisten RF_moduulien kehittäjänä. Nyt yhtiö on lanseerannut ISP3080-moduuliin, jossa samaan koteloon on integroitu sekä UWB- että BLE-radiot Moduuli hyödyntää myös Insight SiP:n patentoitua "Antenna-in-Package" -tekniikkaa.

Efecte tuo tekoälyn it-tukeen

Suomalainen ohjelmistotalo Efecte on esitellyt generatiiviseen tekoälyyn pohjautuvan tekoälyn yritysten it-tukeen ja it-ongemien ratkaisuun. Työkalu on nimeltään Effie AI. Tekoälyominaisuudet ovat käyttäjien saatavilla yhdellä klikkauksella, ja käyttäjä voi aina itse päättää käyttääkö tekoälyä, jonka hyödyntämän datan sijainti on aina organisaation tiedossa.

DNA: suomalaiset mobiilidatan suurkuluttajia

Tämä ei oikeastaan ole mikään uutinen, mutta suomalaiset kuuluvat maailman kärkeen mobiilidatan kuluttajina. Alkuvuonna DNA:n ja Elisan tilaajat käyttivät lähes 50 gigatavua mobiilidataa kuukaudessa.

Netgear lupaa, että Wi-Fi 7 yltää joka paikkaan

Reitittimistään tunnettu Netgear on esitellyt Orbi 970 -mallistonsa, joka on samalla yhtiön ensimmäinen uuden polven Wi-Fi 7 -tekniikkaa tukeva reititinperhe. Laite lupaa jopa 27 gigabitin yhteydet kodin verkossa ja kaikkialle ulottuvan signaalin, mutta miinuksena tulee varsin suolainen hinta.

Qualcommilta 4 nanometrin siru keskihintaluokkaan

Qualcomm on pitkään hallinnut Android-luurien high end -mallien prosessorimarkkinoita, mutta keskihintaluokassa kilpailu on kovempaa. Nyt yhtiö haluaa saada lisää markkinoita MediaTekiltä uudella Snapdragon 7s Gen 2 -piirillä, joka on valmistettu TSMC:n 4 nanometrin prosessissa.

Maailman energiatehokkain järjestelmäpiiri tulee nyt Norjasta

Nordic Semiconductor hehkuttaa, että sen nRF54H-sarjan ensimmäinen järjestelmäpiiri on saanut tähän asti parhaat lukemat EEBMC:n energiatehokkuutta mittaavassa ULPMark-testissä. Pisteet osoittavat, että nRF54H20:n sovellusprosessori tarjoaa ainutlaatuisen yhdistelmän käsittelytehokkuutta ja suorituskykyä.

Anturin rooli kasvaa sähköautoissa

Uusimmat anturit eivät ainoastaan auta estämään ajoneuvojen tulipaloja tehokkaammin kuin koskaan, vaan ne myös auttavat vastaamaan sähköajoneuvojen markkinoita hallitseviin ajokantamahaasteisiin. Pian anturit tekevät vielä paljon enemmän.

Jos teet työtä näppäimistöllä, tekoäly muuttaa sen

OpenAI:n ChatGPT lanseerattiin vajaa vuosi sitten ja se on jo ehtinyt mullistaa monen työtehtäviä. Ei ihme, että aihe oli laajasti esillä myös Dell Technologies Forum -tapahtumassa eilen. Keynoten aiheesta piti tekoälyasiantuntija Antti Merilehto.

Sentintarkka paikannus pienellä datamäärällä

Perinteisellä satelliittipaikannuksella päästään jo varsin hyvään tarkkuuteen, mutta jos tarvitaan sentintarkkaa paikannusta, sijaintitietoa pitää parantaa mobiiliverkon signaalin ja liikeanturien avulla. Nyt tämä onnistuu aiempaa pienemmällä määrällä dataa.

Tulevaisuuden piirit makaavat lasin päällä

Kymmenen vuotta sitten Intel ajautui ongelmiin, kun se jäi valmistuksessa TSMC:n, Samsungin ja sitten myös AMD:n jälkeen. Nyt yhtiö aikoo ottaa uudelleen kärkipaikan ja se tapahtuu vuosikymmenen lopulla uuden piirialustan avulla.

Generaattori seuraavan polven laajakaistasignaaleille

Keysight Technologies on esitellyt kompaktin, nelikanavaisen vektorisignaaligeneraattorin, joka pystyy tuottamaan signaalia jopa 8,5 gigahertsin taajuudella 960 MHz:n modulaatiokaistanleveydellä kanavaa kohti. N5186A MXG on Keysightin X-sarjan signaaligeneraattorivalikoimaan kuuluva seuraavan sukupolven laite.

22/8 34 35 36 37 38 39 # pcbway
37 38 39 40  # pc-box
2023 # 50 år pc-box
 2022  # mobilbox
Sep  # Farnell  mobilbox f skyskrapa
22/8 34 35 36 37 38 39 # pcbway klar
37 38 39 40 # mobilbox
Sep # mobilbox
2023 # 50 år mobilbox
TMSNet  advertisement
ALWAYS # ETNdigi nysbrev

© Elektroniikkalehti

 
 

TECHNICAL ARTICLES

Anturin rooli kasvaa sähköautoissa

Uusimmat anturit eivät ainoastaan auta estämään ajoneuvojen tulipaloja tehokkaammin kuin koskaan, vaan ne myös auttavat vastaamaan sähköajoneuvojen markkinoita hallitseviin ajokantamahaasteisiin. Pian anturit tekevät vielä paljon enemmän.

Lue lisää...

OPINION

Kolme tapaa pidentää tietokoneiden käyttöikää

Ilmastokriisin ratkaiseminen edellyttää teknologian käyttöiän pidentämistä ja laitteiden kierrättämistä jatkuvan uusien laitteiden ostelun ja pois heittämisen sijaan, kirjoittaa Panasonic TOUGHBOOKin Pohjoismaiden maajohtaja Stefan Lindau.

Lue lisää...

LATEST NEWS

  • Pian lentokentän skannerista voi kävellä suoraan läpi
  • Suositusta ohjaimesta suojattu yhteys pilveen
  • Melkoinen yllätys: Nvidia nousee suurimmaksi tänä vuonna
  • Mitä tarkoittaa halogeeniton kaapelissa?
  • Joko nyt MEMS korvaa kiteet ajastuksessa?

NEW PRODUCTS

  • USB ja Bluetooth samassa pienessä paketissa
  • 65 wattia tehoa useammasta USB-portista
  • Markkinoiden suosituin korttitietokone nyt Mouserilta
  • Tähän asti tarkin anturi sähköautojen akustoihin
  • Mouserilta Würthin ohjelmoitava liikeanturi
 

NEWSFLASH

Tweets by ETN_fi
 

Section Tapet