SiC- eli piikarbidipohjaisen MOSFETin avulla tehonkytkentä onnistuu sekä suurilla taajuuksilla että korkeilla jännitteillä, toisin kuin piipohjaisilla transistoreilla. Näitä ominaisuuksia tarvitaan esimerkiksi sähköautojen nopeaan lataamiseen. Piikarbidi asettaa kuitenkin kovia vaatimuksia hilan ohjauksesta vastaaville piireille.

Piikarbidiin (SiC) perustuvilla MOSFETeillä on tehopiireissä selkeitä etuja perinteisiin pii-MOSFETeihin ja IGBT-transistoreihin verrattuna erityisesti korkean jännitteen kytkentäsovelluksissa. Suurilla taajuuksilla (sadoilla kilohertseillä) tapahtuva kytkentä onnistuu pii-MOSFETin avullakin, mutta sitä ei voi käyttää korkeilla (yli 1000 voltin) jännitteillä. Toisaalta, vaikka IGBT voi toimia myös suurilla jännitteillä, sen "häntävirta" ja hidas sammumisvaihe merkitsevät, että käyttö rajoittuu vain matalataajuisiin kytkentäsovelluksiin.

SiC MOSFETit sen sijaan yhdistävät kummankin parhaat puolet: korkeataajuinen tehonkytkentä onnistuu suurilla jännitteillä. SiC MOSFETien ainutlaatuiset ominaisuudet kuitenkin tarkoittavat, että ne myös asettavat erityisiä vaatimuksia hilan ohjauksesta vastaaville piireille. Näiden ominaisuuksien ymmärtäminen antaa suunnittelijoille mahdollisuuden valita kytkentään hilaohjaimet, jotka voivat parantaa luotettavuutta ja kytkennän yleistä suorituskykyä.

Tässä artikkelissa käydään ensin läpi SiC MOSFETien ominaisuuksia ja niitä vaatimuksia, joita ne asettavat hilaohjainpiireille. Sen jälkeen esitellään ratkaisuna IC-piiri, joka kykenee vastaamaan näihin vaatimuksiin ja muihin järjestelmätason näkökohtiin.

SiC MOSFETin erityispiirteet

Piipohjaisiin kytkimiin verrattuna SiC-kytkimellä on pienempi transkonduktanssi (vahvistus), suurempi sisäinen hilaresistanssi ja hilan käynnistyskynnyskin voi olla alle 2 volttia. Tämän vuoksi hilan potentiaali on vedettävä maatason alapuolelle (tyypillisesti -5 V) off-tilan aikana. SiC-kytkimen hila-lähdejännitteen (VGS) pitäisi yleensä olla välillä 18 – 20 V, jotta päästäisiin riittävän alhaiseen on-tilan resistanssiin (RDS).

SiC-kytkimen käyttäminen alhaisella VGS-jännitteellä saattaa johtaa lämpörasitukseen tai jopa sen vioittumiseen liian korkean RDS-resistanssin vuoksi. Muut pieneen vahvistusarvoon liittyvät seuraukset voivat vaikuttaa suoraan moniin tärkeisiin dynaamisiin kytkentäominaisuuksiin, jotka on otettava huomioon sopivaa hilaohjausta suunniteltaessa. Näitä ovat muun muassa on-resistanssi, hilavaraus (Miller-tasanne) ja ylivirran tunnistus eli desaturaatiosuojaus (DESAT).

On-tilan resistanssi

Alhaisilla VGS-jännitteillä joidenkin SiC-kytkimien johtavan tilan resistanssin riippuvuutta liitoslämpötilasta kuvaava käyrä voi olla muodoltaan parabolinen (sisäisten ominaisuuksien yhdistelmän vuoksi). Tämä koskee esimerkiksi onsemin SiC MOSFETeja M1 ja M2. Kun VGS-jännite on 14 volttia, RDS-resistanssilla näyttää olevan negatiivinen lämpötilakerroin (NTC), jolloin resistanssi pienenee lämpötilan noustessa.

Tämä SiC MOSFETin ainutlaatuinen ominaisuus on suoraa seurausta alhaisesta vahvistusarvosta. Tämä tarkoittaa, että jos kaksi tai useampia SiC-kytkimiä sijoitetaan rinnakkain käytettäessä alhaista VGS-jännitettä (negatiivinen TC), tulos voi olla katastrofaalinen. Siksi SiC MOSFETien rinnakkaiskäyttöä suositellaan vain silloin, kun VGS on riittävän suuri varmistamaan luotettavan positiivisen TC-toiminnan (eli VGS on yli 18 V).

Kuva 1. Onsemin edellisen polven SiC MOSFETien M1 ja M2 on-resistanssi liitoslämpötilan funktiona.

Onsemin uusi SiC-sukupolvi M3 sen sijaan antaa positiivisen lämpötilakertoimen kaikille VGS-arvoille koko käyttölämpötila-alueella.

Kuva 2. Uuden M3-sukupolven SiC MOSFETin on-tilan resistanssin RDS(on) riippuvuus nieluvirrasta ID hilajännitteen VGS eri arvoilla.

Hilavaraus

Kun hilajännite (VGS) syötetään SiC MOSFETille, siirretään hilalle varaus jännitteen nostamiseksi tasoilta VGS(MIN) (VEE) ja VGS(MAX) (VDD) mahdollisimman nopeasti. Koska SiC-kytkimen sisäiset kapasitanssit ovat epälineaarisia, voidaan käyttää hilajännitteen riippuvuutta hilavarauksesta kuvaavaa käyrää (VGS vs. QG) apuna määrittämään, kuinka suuri varaus on siirrettävä kullakin VGS-arvolla.

SiC MOSFETilla ns. Miller-tasanne esiintyy korkeammalla VGS-arvolla eikä yhtä tasaisena kuin pii-MOSFETilla. Epätasainen Miller-tasanne tarkoittaa, että VGS ei ole vakio vastaavilla varauksen QG arvoilla, mikä on toinen seuraus SiC-kytkimen alhaisesta vahvistusarvosta.

On myös syytä huomata, että varausarvo QG = 0 nC (SiC-kytkimen sammuttamiseen tarvittava varaus) ei esiinny hilajännitteen arvolla VGS = 0 V, joten VGS-taso on vedettävä maatason alapuolelle (tässä tapauksessa -5V), jotta hilavaraus saadaan kokonaan puretuksi.

Nyt haluttaisiin saada selville se varaus, joka tarvitaan SiC MOSFETin kytkemiseen päälle tai pois, mutta käyrä kuvaa vain varauksen QG lisäystä (tai kertymistä tai vaihtelua). Myös tätä arvoa merkitään tunnusluvulla QG, mikä voi olla hämmentävää. Tätä käyrää tuleekin tulkita niin, että se kuvaa vain kytkemiseen tarvittavan lisäenergian määrää, eikä absoluuttista energiaa, joka on varastoitu hilan ja lähteen väliseen hajakapasitanssiin.

Kuva 3. SiC MOSFETin hila-lähdejännite VGS hilavarauksen QG funktiona.

Tärkein syy hilaohjauksen negatiivisen estojännitteen käyttämiseen on vähentää nieluvirran vuotoa off-tilan aikana. Tämäkin on seurausta alhaisesta transkonduktanssivahvistuksesta. Negatiivisen estojännitteen käyttö vähentää myös kytkentähäviöitä, lähinnä sammutusvaiheen aikana. Siksi lähes kaikille SiC MOSFETeille suositellaan käytettäväksi hilajännitteen minimiarvona -5 … -2 V off-tilan aikana. Jotkut valmistajat suosittelevat jännitetasoksi jopa -10 V.

Desaturaatiosuojaus

DESAT-suojaus on eräänlainen ylivirran tunnistustapa, joka on peräisin piireistä, joilla ohjataan IGBT-kytkimiä. Ellei IGBT:tä kyetä on-tilassa enää pitämään kyllästystilassa (desaturaatio-tilanne), kollektorin ja emitterin välinen jännite nousee täyden kollektorivirran kulkiessa. Tällä on selvästi kielteinen vaikutus kytkimen hyötysuhteeseen, ja pahimmassa tapauksessa se voi johtaa IGBT:n tuhoutumiseen. Niin sanottu DESAT-toiminto valvoo kollektori-emitterijännitettä ja havaitsee, milloin mahdollinen tuhoisa tilanne on syntymässä.

Vaikka SiC-kytkimen vikamekanismi on hieman erilainen, se voi kärsiä samankaltaisesta tilanteesta, jolloin VDS-jännite voi nousta, kun maksimi ID-virta kulkee. Tämä epätoivottava tilanne voi syntyä, jos maksimi VGS-jännite on-tilaan siirtymisen aikana on liian alhainen, hilaohjauspulssin nouseva reuna on liian hidas tai meneillään on oikosulku- tai ylikuormitustilanne.

RDS-resistanssi voi kasvaa täyden ID-virran kulkiessa, mikä aiheuttaa odottamattoman nousun VDS-jännitteeseen. Kun SiC MOSFET joutuu desaturaatiotilaan, VDS reagoi erittäin nopeasti samalla, kun täysi ID-virta kulkee edelleen kasvavan on-resistanssin läpi. Kun VDS-jännite saavuttaa ennalta määrätyn kynnyksen, suojaus voidaan aktivoida. Erityisesti tulee välttää VDS-tunnistuksen viivästymistä, joka saattaa peittää ilmiön. DESAT on siksi tärkeä ja täydentävä suojausmenettely hilaohjainpiireille.

Kytkennän dynamiikka

SiC MOSFETin siirtymisessä on- ja off-tiloihin on neljä erillistä vaihetta. Kuvassa 4 esitetyt on-kytkennän dynaamiset aaltomuodot edustavat ihanteellisia käyttöoloja. Käytännössä kuitenkin kotelon loisominaisuudet kuten johtimien ja bondausten hajainduktanssit, loiskapasitanssit ja osien sijoittelu piirilevylle voivat vaikuttaa syvästi käytännön todellisiin aaltomuotoihin. Huolellinen komponenttien valinta, parhaat piirilevyn layout-suunnittelutavat ja panostaminen hyvin suunniteltuun hilaohjainpiiriin ovat välttämättömiä tehoelektroniikan kytkentäsovelluksissa käytettävien SiC-kytkimien suorituskyvyn optimoimiseksi.

Kuva 4. SiC MOSFETin nelivaiheinen käynnistyssekvenssi.

Toivelista hilaohjaimelle

Seuraavat tekijät ovat kriittisiä vaatimuksia SiC-tehokytkimen ohjauspiirille, jotta alhainen vahvistusarvo voidaan kompensoida ja saavutetaan energiatehokas, huippunopea kytkentä:

• Useimmat SiC MOSFETit toimivat parhaiten, kun niitä ohjataan välillä −5 V > VGS > 20 V. Hilaohjauspiirin tulisi kestää jännitteet VDD = 25 V ja VEE = −10 V kattaakseen mahdollisimman laajan valikoiman saatavilla olevia SiC-kytkimiä
• VGS-ohjauspulssilla tulisi olla nopeat nousu- ja laskuajat (muutaman nanosekunnin luokkaa)
• Kyky antaa ja ottaa vastaan korkeita hilavirran huippuarvoja (useita ampeereja) koko Miller-tasanteen alueella
• Virran vastaanottokyvyn tarkoituksena on tarjota erittäin alhaisen impedanssin pito tai lukitus, kun VGS putoaa Miller-tasanteen alapuolelle. Virran nimellisarvon tulisi ylittää taso, joka vaadittaisiin pelkästään SiC MOSFETin tulokapasitanssin purkamiseksi. Vastaanotetun virran huippuarvon tulisi olla vähintään luokkaa 10 A, jotta ohjain soveltuisi kattamaan korkeaan suorituskykyyn yltävät puolisiltatopologiat
• VDD:n alijännitesuojauksen (UVLO) taso, joka on sovitettu vaatimukseen, että VGS on yli ~16 V ennen kytkennän alkamista
• VEE:n UVLO-valvontakyky, joka varmistaa, että negatiivinen jännitesyöttö on hyväksyttävällä alueella
• Desaturaatio-toiminto, joka pystyy havaitsemaan vikoja ja raportoimaan niistä ja näin suojaamaan SiC MOSFETin luotettavaa pitkäkestoista toimintaa
• Pienet parasiittiset induktanssit nopean kytkennän takaamiseksi
• Ohjainpiirin pienikokoinen kotelo, joka on sijoitettavissa mahdollisimman lähelle SiC MOSFETiä

Ratkaisu hilaohjaimeksi

Onsemin NCP51705 on SiC-ohjainpiiri, joka tuo suunnitteluun merkittävää joustavuutta ja integraatiota. Piiri on yhteensopiva lähes kaikkien SiC MOSFETien kanssa. NCP51705 sisältää lukuisia toimintoja, jotka ovat yhteisiä kaikille yleiskäyttöisille hilaohjaimille. Näitä ovat esimerkiksi:

• Positiivinen syöttöjännite VDD yltää 28 volttiin asti
• Suuri huippulähtövirta, 6 A ulos ja 10 A sisään
• Sisäinen 5 V referenssi, joka on käytettävissä 5 voltin pienitehoisten kuormien biasointiin 20 mA asti (digitaalinen erotin, optoerotin, mikro-ohjain jne.)
• Erilliset signaalin ja teho-osan maadoitusliitännät
• Erilliset liitäntänastat lähtevälle ja tulevalle virralle
• Sisäinen lämpösuojaus
• Erilliset ei-invertoivat ja invertoivat TTL/PWM-tulot

Kuva 5. SiC-hilaohjaimen NCP51705 lohkokaavio.

Tämä IC-piiri sisältää kuitenkin useita ainutlaatuisia lisäominaisuuksia, jotka mahdollistavat luotettavan SiC-hilaohjaimen suunnittelun käyttäen mahdollisimman vähän ulkoisia komponentteja. Näitä ominaisuuksia ovat:

• DESAT-suojaus
• Varauspumppu (negatiivisen jännitesyötön asetusta varten)
• Ohjelmoitava UVLO-suojaus
• Digitaalinen synkronointi ja vikaraportointi
• 24-nastainen 4 × 4 mm lämpövahvistettu MLP-kotelo helppoon korttitason integrointiin

Luotettavaa energiatehokkuutta

SiC MOSFETin alhainen vahvistus aiheuttaa suunnittelijoille ongelmia siinä vaiheessa, kun valitaan sopivaa hilaohjainpiiriä. Yleiskäyttöisiltä tehonkytkennän alemman puolen hilaohjaimilta puuttuu toiminnallisuus ohjata SiC-kytkintä energiatehokkaasti ja luotettavasti.

Onsemin NCP51705-piiri sisältää joukon ominaisuuksia, jotka tarjoavat suunnittelijoille yksinkertaisen, suorituskykyisen ja huippunopean ratkaisun SiC MOSFETien luotettavaan ohjaamiseen hyvällä hyötysuhteella.