Piikarbidilla (SiC) on korkeampi dielektrinen läpilyöntilujuus, energiakaistaero ja lämmönjohtavuus kuin piillä. Näitä ominaisuuksia tehoelektroniikkasuunnittelijat voivat hyödyntää kehittääkseen tehokkaampia tehonmuuntimia, joiden tehotiheys on suurempi kuin pii-IGBT -komponentteihin perustuvissa malleissa.

Näissä sovelluksissa johtavuuden ja kytkentähäviöiden minimoiminen korkeilla taajuuksilla vaatii laitteita, joissa on alhainen R_DS(on) ja rungon diodin käänteinen palautusvaraus (Q_rr).

Tässä artikkelissa tarkastellaan komponenttien karakterisointitestien ja -simulaatioiden tuloksia 3-vaiheisissa PFC- eli tehokertoimenmuuntimissa (Power Factor Correction), jotka on toteutettu käyttämällä kahta erilaista piikarbidi-MOSFETia TO247-4L-koteloissa. Toinen testatuista piireistä kuuluu onsemin uuteen EliteSiC M3S -perheeseen, joka on optimoitu pienille kytkentähäviöille, ja toinen on kilpailijalta, jonka perusparametrit on esitetty taulukossa 1. Artikkelissa käsitellään myös sitä, miten laiteparametrit vaikuttavat niiden suhteelliseen suorituskykyyn.

Mitä tehohäviö tarkoittaa, kun MOSFETia käytetään kytkimenä?

Kytkentälaitteiden tehohäviöt voidaan luokitella johtavuus- ja kytkentähäviöiksi. Kytkentähäviöt johtuvat nousu- ja laskuajasta, koska virran tai jännitteen tasoa ei voida muuttaa hetkessä. Teho-MOSFET-jännitteelle ja -virralle nousu- ja laskuaika määräytyy sen mukaan, kuinka nopeasti laitteen loiskapasitanssit latautuvat ja purkautuvat. Lisäksi runkodiodin käänteinen palautusvaraus vaikuttaa myös kytkentähäviöihin.

Johtavuushäviöitä tapahtuu, kun laite on "päällä" eli johtavaa virtaa. Laitteen dynaamiset parametrit määräävät kytkentähäviöt, kun taas johtavuushäviöt liittyvät staattisiin parametreihin. Näitä parametreja tutkimalla suunnittelijat voivat saada käsityksen laitteen suorituskyvystä suhteessa tehohäviöihin. Pääsääntöisesti kytkentähäviöistä vastaavat parametrit ovat laitekapasitanssit (C_oss, C_iss ja C_rss) ja runkodiodin käänteinen palautusvaraus (Q_rr). Sitä vastoin merkittäviä johtavuushäviöitä aiheuttavia tekijöitä ovat R_DS(on) ja V_SD.

Dynaaminen karakterisointitestaus

Aluksi dynaamiset karakterisointitestit, joissa käytettiin kaksoispulssitestiä, suoritettiin eri olosuhteissa vertaamaan kunkin MOSFETin kriittisiä parametreja, mikä on esitetty kuvassa 1. Myöhemmin suoritettiin 3-vaiheinen PFC-simulaatio vertaamaan kunkin MOSFETin järjestelmän kokonaistehokkuutta.

Kuva 1: Yksinkertaistettu kaavio kaksoispulssitestauspiiristä.

Taulukko 1: Kahden testatun piirin datalehtitiedot.

Staattisten parametrien vertailu

R_DS(on) ja V_SD (body diode Voltage drop) ovat kriittisimmät staattiset parametrit ja ne karakterisoitiin useissa testiolosuhteissa. Onsemi NVH4L022N120M3S testattiin kilpailijan A vaihtoehtoista SiC-MOSFETia vastaan. Taulukossa 2 esitetyt tulokset osoittavat, että onsemin NVH4L022N120M3S saavutti erinomaisen suorituskyvyn pienemmällä VSD:llä kaikissa mitatuissa lämpötiloissa ja virroissa. Nämä tulokset johtavat pienempiin johtavuushäviöihin.

Taulukko 2: V_SD:n vertailu eri testiolosuhteissa.

RDS(on) on toinen kriittinen parametri, jota voidaan käyttää laitteen johtavuushäviöiden ennustamiseen. Siksi tämä parametri on luonnehdittu molemmille laitteille 25 °C:n ja 175 °C:n liitoslämpötiloissa. R_DS(on)-mittaukset suoritetaan kahdella hilalähdejännitteellä, 15V ja 18V, käyttämällä 300 µs:n johtavuuspulssin leveyttä. Näiden testien tulokset osoittavat, että kilpailijalla A on hieman alhaisempi R_DS(on) jokaisessa testitilanteessa, mikä merkitsisi pienempiä johtavuushäviöitä kuin M3S-piirillä tietyllä liitoslämpötilalla.

Kuva 2: Molempien MOSFETien R_DS(on) vertailu 25 °C:ssa (vasemmalla) ja 175 °C:ssa (oikealla).

Dynaamiset parametrit

Vähemmistökuljettajien (minority carrier) puuttuminen SiC-pohjaisessa MOSFETissa tarkoittaa, että häntävirrat eivät estä niiden suorituskykyä, kuten piipohjaisissa IGBT-piireissä, ja johtaa siihen, että ne vähentävät merkittävästi sammutuskytkentähäviöitä. Lisäksi SiC-piireissä on pienempi käänteinen palautusvirta kuin pii-MOSFETeissa, mikä tarkoittaa pienempiä päällekytkentävirtoja ja pienempää päällekytkentähäviötä. Tulokapasitanssi (C_iss), lähtökapasitanssi (C_oss), käänteinen siirtokapasitanssi (C_rss) ja käänteinen palautusvaraus (Q_rr) ovat parametreja, jotka vaikuttavat pääasiassa kytkentähäviöihin, ja pienemmät arvot johtavat yleensä pienempiin häviöihin.

Kytkentäsovelluksissa nielulähdejännite on merkittävästi korkeampi kuin 6 V kytkentätransienttivälien aikana, ja siksi korkeajännitealue on näiden kytkentäkäyrien kriittinen osa. NVH4L022N120M3S:n C_iss-, C_oss- ja C_rss-arvot ovat alhaisemmat (kuva 3), kun V_DS ≥ 6 V, mikä tarkoittaa, että sen käynnistys- ja sammutushäviöt ovat pienemmät kuin kilpailijalla A.

Kuva 3: Tulon C_iss-, lähdön C_oss- ja paluusiirron C_rss-kapasitanssien vertailu.

Molempien piirien kytkentäenergiahäviöt mitataan käyttämällä kaksoispulssitestausta useissa kuormitusvirtaolosuhteissa 25 °C ja 175 °C lämpötiloissa, kuten kuvassa 4 ja kuva 5 on esitetty. Testiolosuhteet ovat:

• Vin = 800 V
• R_G = 4.7 Ω
• V_{GS_on} = +18 V
• V_{GS_off} = −3 V
• I_D = 5 − 100 A

Kilpailijaan A verrattuna M3S:n kytkentähäviöt olivat keskimäärin 5 % pienemmät (25°C:ssa) ja 9 % pienemmät kytkentähäviöt (175°C:ssa) kuormitusvirroilla, jotka vaihtelivat välillä 10 A - 100 A. Suurin vaikutus tulee ylivoimainen E_ON-häviöteho onsemin M3S-prosessitekniikan ansiosta.

Kuva 4. Kytkentäenergiahäviöiden vertailu 25°C:ssa.

Kuva 5. Kytkentäenergiahäviöt 175°C:ssa.

Kuten aiemmin mainittiin, MOSFETin käänteinen palautumiskäyttäytyminen vaikuttaa myös kytkentähäviöihin. Tämä parametri testataan olosuhteissa, joissa I_D = 40 A ja

di/dt = 3 A/ns (R_G-arvoilla säädettynä samalle di/dt:lle) 25°C:ssa. Testitulokset osoittavat, että M3S:llä on parempi käänteisen palautumisen suorituskyky kuin kilpailijalla A lyhyemmän käänteisen palautusajan, alhaisemman käänteisen palautuslatauksen ja alhaisemman käänteisen palautusenergian ansiosta.

Kuva 6: M3S:n (vasemmalla) ja kilpailijan A (oikealla) käänteisten palautumistappioiden vertailu.

MOSFET-suorituskyvyn simulointi suosituissa autoteollisuuden topologioissa

Boost-tyyppiset PFC ja LLC, joissa on kaksi kelaa (LL) ja kondensaattori (C), ovat suosittuja piiritopologioita autojen sisäisissä latureissa ja korkeajännitteisissä DC/DC-muuntimissa. Boost-tyypin 3-vaiheinen PFC-topologia sisältää kuusi kytkinlaitetta, kun taas Full-Bridge LLC -topologiassa on neljä kytkinlaitetta sekä synkroninen tasasuuntaaja toisiopuolella.

Kuva 7: 3-vaiheinen boost-tyyppinen PFC (vasemmalla) ja Full−Bridge LLC (oikealla).

Johtavuus- ja kytkentähäviöiden arvioinnin jälkeen suoritettiin seuraavaksi 3-vaiheisen Boost-tyyppisen PFC-piirin simulaatiot (PSIM:ää käyttäen) järjestelmän tehokkuuden vertaamiseksi käyttämällä kutakin MOSFET-tyyppiä erikseen seuraavien testiolosuhteiden avulla:

• V_aLL = V_bLL = V_cLL = 400 V
• f_line = 50 Hz
• R_G = 4.7Ω
• V_OUT = 800 V
• f_SW = 100 kHz
• P_OUT = 11 kW (max)

Simulointitulokset osoittavat, että NVH4L022N120M3S:ää käyttävä 3-vaiheinen Boost PFC -järjestelmä on tehokkaampi kaikissa toimintapisteissä kuin kilpailijan A piirit samassa järjestelmäsuunnittelussa.

Kuva 8: Simuloitu estimointi: Tehokkuusvertailu eri tehotasoilla.

M3S on parempi valinta kytkentäsovelluksiin

SiC-tehokomponentit tarjoavat useita etuja perinteisiin Si-laitteisiin verrattuna tehoelektroniikan sovelluksissa. Näihin kuuluvat korkeampi hyötysuhde, pienemmät kytkentä- ja johtavuushäviöt sekä kyky toimia korkeammilla taajuuksilla, mikä mahdollistaa suuremman tehotiheyden suunnittelun. Verrattuna vastaavaan kilpailevaan laitteeseen onsemin M3S-tekniikka tarjoaa erinomaisen kytkentätehon ja ansiot, mukaan lukien E_TOT, Q_Rr, V_SD ja järjestelmän kokonaistehokkuus.

M3S-tekniikka on räätälöity vastaamaan sähköajoneuvojen suurtaajuisten kytkentäsovellusten, kuten sisäisten laturien ja suurjännitteisten DC/DC-muuntimien vaatimuksia. M3S-MOSFETit on suunniteltu saavuttamaan optimaalinen tasapaino johtavuuden ja kytkentähäviöiden välillä, mikä tekee niistä sopivia PFC- ja muihin kovakytkentäsovelluksiin.