Dari artikel ini Anda akan mempelajari fitur-fitur penggunaan transistor dan dioda MOSFET silikon karbida, cara memilih elemen dan perbandingan dengan perangkat silikon (Si), dan yang terpenting, hasil eksperimen dan penelitian saya dalam memperlambat switching transistor SiC, dilakukan pada perkembangan saya baru-baru ini - sumber pasokan energi surya.
Di bawah pemotongan sedikit analitik dan praktik di bidang elektronika daya - selamat datang.
Silikon karbida
Silikon karbida adalah bahan semikonduktor celah lebar yang digunakan dalam pembuatan dioda, transistor, dan thyristor. Silikon karbida memasuki praktik saya sebagai pengembang elektronika daya untuk waktu yang sangat lama. Sekitar sepuluh tahun yang lalu saya membaca artikel dari Infineon bahwa penggunaan dioda SiC dalam korektor faktor daya (PFC) dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi konverter. Terapan. Dan bahkan membandingkannya dengan dioda silikon - memang, keuntungannya ternyata sangat signifikan. Sejak itu saya telah menerapkan dioda SiC dan transistor dalam banyak desain.
Mari kita lihat keunggulan apa yang dimiliki MOSFET SiC dibandingkan silikon:
- (Ciss) (Coss) , ;
- Qg, ;
- RDSon, ( );
- RDSon ;
- ;
- .
Agar tidak berdasar, saya mengusulkan untuk membandingkan parameter transistor silikon karbida dengan yang serupa berdasarkan Si. Sebagai perbandingan, saya memilih Wolfspeed (Cree) SiC MOSFET (C3M0060065K), serta sepasang transistor Infineon dari keluarga C7 (IPW65R065C7) dan CFD7 (IPW60R070CFD7). Transistor ini dipilih dari keluarga teratas, karena entah bagaimana dapat bersaing dalam parameter listrik dengan silikon karbida.
Melihat perbandingan ini, kita dapat mengatakan bahwa silikon karbida lebih unggul dari transistor silikon dalam segala hal (kecuali harga). Beberapa kata tentang resistansi saluran R DSon . Memang, parameter untuk transistor Si yang dipilih ini sedikit lebih rendah untuk kondisi normal, tetapi ini lebih dari dikompensasi oleh ketergantungan suhu R DSon yang sangat kuat .
Gambar selanjutnya menunjukkan data ketergantungan untuk dua transistor. Terlihat bahwa pada suhu 100 ° C (saya beri titik pada grafik) kelebihan silikon karbida hanya 10%, dan untuk transistor silikon 65%.
Semikonduktor daya tidak pernah bekerja pada suhu kamar, dan pengaruh suhu kristal pada resistansi saluran maju bisa sangat signifikan. Fitur ini harus selalu diperhitungkan saat menghitung rugi-rugi statis dan memilih transistor. Grafik menunjukkan bahwa bahkan pada suhu 75 ° C, saat menghitung nilai R DSon efektif untuk silikon, faktor koreksi 1,4 harus diterapkan.
Kami melihat manfaat silikon karbida, apa sisi lain dari koin?
Apa yang dapat menghentikan Anda dari menggunakan SiC-MOSFET?
Harga. Meskipun di atas adalah perbandingan harga, ini adalah pilihan perangkat PP yang kurang lebih setara (katakanlah, kelas atas). Dan masalahnya bisa diatasi dengan transistor yang lebih murah. Misalnya, NTHL095N65S3HF - transistor silikon biasa dari ONsemi, 650V, 36A, harganya hanya $ 4,86, dan dalam kumpulan 100 buah bahkan lebih murah - $ 3,3. Tidak apa-apa jika resistansi saluran sedikit lebih tinggi, itu akan memenuhi tugasnya, itu hanya akan kurang dari efisiensi konverter. Dengan keinginan khusus, Anda dapat menemukan transistor dari pabrikan Cina yang bagus seharga $ 2,5.
Peralihan yang sangat cepat. Di satu sisi, ini adalah nilai tambah - kerugian dinamis berkurang. Tetapi di sisi lain - minus, nilai dV / dt yang besar menyebabkan peningkatan tingkat interferensi, baik yang dilakukan maupun yang dipancarkan. Tapi tidak ada yang membatalkan sertifikasi dan tes EMC.
Perlunya kontrol gerbang bipolar (penguncian aktif). Ya, transistor SiC sekarang muncul, di mana DS mengatakan bahwa ini tidak diperlukan. Tapi sejujurnya, saya tidak akan melakukannya untuk aplikasi industri keras.
Kurangnya standar untuk kerusakan longsoran salju. Sejujurnya, fakta ini mengejutkan saya. Memang, standar ini (peringkat avalanche) untuk transistor SiC tidak ada di DS. Vendor utama adalah "bijaksana" diam, meskipun saya berhasil menemukan ini di situs Robin Semiconductor .
Setelah membaca studi independen tentang pemecahan longsoran silikon karbida, menjadi jelas bahwa ini adalah lubang cacing yang nyata dan, mungkin, ulasan tentang topik ini berada di luar cakupan artikel ini. Satu-satunya hal yang dapat dicatat adalah bahwa tegangan kerusakan longsoran SiC-MOSFET secara signifikan (1,5-1,8 kali) lebih tinggi dari tegangan sumber drain batas.
Sedikit tentang dioda silikon karbida
Dioda SiC banyak digunakan dalam korektor faktor daya (PFC, PFC). KKM hampir selalu merupakan konverter penguat, masing-masing, sakelar keras dan ayunan tegangan besar. Dioda pemulihan terbalik cepat sangat ideal di sini. Khusus untuk mode arus kontinu (CCM) saat sakelar diberi energi.
Jika sebelumnya, ketika harga dioda silikon karbida relatif tinggi, mungkin ada beberapa opsi, sekarang, tanpa ragu, hanya masukkan dioda yang sangat baik ini ke dalam KKM.
Aplikasi lain juga dapat ditemukan, seperti penyearah tegangan tinggi.
Studi Proses Switching SiC-MOSFET
Ketika merencanakan pengembangan catu daya dengan tegangan input hingga 1500V, saya mulai mempelajari terlebih dahulu fitur penggunaan transistor silikon karbida. Saya sangat tertarik pada nilai kritis dari laju kenaikan tegangan sumber drain (dV / dt), serta metode untuk memperlambat peralihan. Kami berhasil mendapatkan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini di webinar salah satu distributor:
Setelah iterasi pertama konverter dibuat dan di-debug, saya memutuskan untuk melakukan penelitian tentang kemungkinan memperlambat proses peralihan. Konverter dibuat dalam topologi setengah jembatan, daya 100 W, tegangan suplai 750V, kontrol transistor dilakukan sesuai dengan skema berikut:
Dengan peningkatan resistansi resistor gerbang (R2, R3), nilai durasi tepi switching diukur, serta efisiensi seluruh konverter. Sejujurnya, saya berharap bahwa ketika front diperketat, kerugian dinamis akan meningkat dan efisiensi akan turun. Pada kenyataannya, ternyata berbeda - perubahan efisiensi tidak signifikan. Lebih tepatnya, saat diukur menggunakan amperemeter yang terpasang di catu daya, perbedaannya tidak terlihat karena resolusi rendah meter ini. Saya menyadari kesalahan saya dan mengukurnya lagi menggunakan amperemeter yang lebih akurat.
Pada titik-titik ekstrim, saya mendapatkan nilai-nilai berikut:
- dengan hambatan gerbang 5,6 Ohm, efisiensinya 85,0%;
- dengan ketahanan gerbang 330 Ohm, efisiensinya 84,46%.
Jadi, daya tambahannya sekitar 0,5 W. Dapat diasumsikan bahwa ini adalah konsekuensi dari peningkatan kerugian dinamis saja. Bahkan dalam kasus ini, kami membagi dengan dua transistor dan kami mendapatkan 0,25 W disipasi daya tambahan per sakelar. Saya tidak akan mengatakan bahwa ini banyak. Plus, 330 ohm di gerbang adalah nilai yang sangat mustahil! Sejujurnya, itu menakutkan untuk memasang resistor seperti itu (pengembang catu daya akan mengerti saya) dan saya bertanya-tanya bagaimana sumber dengan tegangan input 750V tidak terbakar. Tapi, seperti yang mereka katakan, apa yang tidak bisa Anda lakukan demi sains
Osilogram dari tegangan sumber drain dari kunci bawah dengan resistor gerbang 5,6 Ohm:
Osilogram dari tegangan sumber drain dari kunci bawah dengan resistor gerbang 220 Ohm:
Waktu switching versus nilai resistor gerbang:
Tentu saja, saya sangat tertarik dengan apa yang terjadi di gerbang dengan resistor gerbang 330 ohm. Rak Miller tidak terlalu besar:
Kesimpulan
Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa objek penelitian adalah catu daya 100 W dengan tegangan input 200-750 V (DC). Tegangan keluaran 24V. Topologi - jembatan setengah. Transistor daya C2M1000170D (silikon karbida).
Jadi, laju perubahan tegangan tertinggi yang diperoleh pada drain adalah 18 V / ns, yang secara signifikan lebih rendah dari nilai batas dV / dt 100-150 V / ns.
Kesimpulan penting yang dapat ditarik dari studi ini adalah bahwa menunda front switching transistor silikon-karbida dengan meningkatkan resistor gerbang tidak terlalu efektif. Menurut pendapat saya, dalam desain nyata, Anda dapat memasang resistor gerbang 22 ohm, mungkin juga 47 ohm dalam beberapa kasus. Hal ini dapat dilihat dari hasil penelitian bahwa pada nilai-nilai tersebut, tidak terdapat hambatan yang signifikan pada front.
Mengenai penggunaan semikonduktor silikon karbida - SiC must-have dioda di PFC mana pun (jika tidak ada target harga yang benar-benar ketat), seperti untuk transistor, saya telah menyimpulkan sendiri beberapa kondisi di mana mereka harus digunakan:
- tegangan input tinggi dari konverter (500-1500V);
- suhu lingkungan yang tinggi atau kondisi pendinginan yang buruk;
- peningkatan kekompakan solusi diperlukan (karenanya, kami memilih frekuensi yang lebih tinggi);
- efisiensi tinggi diperlukan;
- Saya ingin
merasa kerenuntuk mencoba teknologi elektronika daya baru.
Anda dapat menggunakan rekomendasi saya atau membuat rekomendasi Anda sendiri. Bagaimanapun, biarkan perkembangan Anda menjadi efisien dan dapat diandalkan! Dan, sampai kita bertemu lagi.
Kekuatan itu keren - hadapi itu.