Vítejte, dnes je
středa
24.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Tranzistory typu MOSFET s technologií karbidu křemíku (SiC) mají jedinečné vlastnosti, díky nimž ve srovnání se svými křemíkovými protějšky představují téměř dokonalé spínací prvky. Výhody MOSFETů SiC byly již mnohokráte zdokumentovány. Nicméně, mezi jejich hlavní výhody patří často doslova jedinečné provozní vlastnosti, které je třeba chápat tak, že mohou být v aplikaci s výhodou použity k dosažení jejich plného potenciálu.
Klíčovým požadavkem pro správné použití SiC MOSFETů je dokonalé pochopení jejich jedinečných provozních vlastností. Na následujících řádcích budeme vycházet z tranzistorů SiC MOSFET CMF20120D od společnosti Cree s charakteristickými parametry 1 200 V a 80 mΩ. Provedeme srovnání s dalšími podobnými křemíkovými prvky a jejich aplikacemi s cílem přiblížení základních rozdílů v provozních charakteristikách a možnosti výběru nejlepšího typu tranzistoru. Zvolené prvky budou reprezentovat komerčně dostupné Si IGBT a MOSFETy s mezním napětí a proudem podobným jako u CMF20120D. (Všechna dále uvedená srovnání byla provedena s prakticky naměřenými daty, pouze s výjimkou tranzistoru SJMOSFET, kde byly použity katalogové hodnoty. Viz příslušná technická dokumentace a deklarované maximální provozní podmínky.)
Obr. 1 Srovnání výstupních charakteristik (TJ = 150 °C)
Nyní se zaměříme na typickou výstupní charakteristiku Cree CMF20120D a Si TFS IGBT, která je uvedena na obr. 1. V případě CMF20120D není oblast přechodu z tzv. triodového (odporového) na saturační (konstantní proud) tak jasně definována, jako je tomu v případě Si TFS IGBT. Jde o výsledek malých transkonduktancí obvodů, které způsobí rozprostření přechodu tranzistoru do oblasti saturace na mnohem rozsáhlejší oblast proudů. Výsledkem toho je, že tranzistory CMF20120D se chovají více jako napětím řízené odpory než napětím řízené zdroje proudu.
Mírné transkonduktance a účinky malých kanálů musí být při použití těchto součástek brány vždy v úvahu. Tranzistory CMF20120D navíc pro své řízení vyžadují použití vyššího napětí na řídicí elektrodě, než na jaké jsme zvyklí v případě SJ-MOSFETů nebo IGBT. Konkrétně v případě CMF20120D jsou doporučeny hodnoty +20 V a −2 V až −5 V v případě záporného řízení gate. Cílové obvody však musí být navrženy tak, aby v žádném případě nemohlo dojít k překročení mezní hodnoty −5 V. Jinak jako v případě jiných součástek i zde platí zásada, že rychlejší skoková změna řídicího napětí má vliv na rychlost nárůstu výstupního proudu vzhledem k nižší transkonduktanci. Proto také pro dosažení maximální spínací rychlosti vyžaduje elektroda gate rychlý vzestup a pád řídicího pulsu. Jinak tranzistory CMF20120D mají prahové napětí podobné jiným SJMOSFET Si (2V typ) a jeho hodnotu je třeba zvážit s přihlédnutím na provozní podmínky a především provozní teploty.
Obr. 2 Srovnání náboje a energie gate
Nicméně, množství náboje v gate ovlivňuje provoz celé součástky. Důsledky mírně vyššího napětí gate a nižšího náboje mohou být brány jako výchozí metrika pro určení energie v řídicí elektrodě. Hodnota náboje a energie v gate jsou pro srovnání uvedeny na obr. 2.
I když provozní podmínky nejsou naprosto shodné, z uvedeného srovnání vyplývá, že energie gate CMF20120D je srovnatelná nebo dokonce nižší než u ostatních podobných tranzistorů. Proto také vyšší napětí přechodu nemá na požadavky řídicí elektrody žádný vliv. V případě CMF20120D jsou hodnoty VGS ve srovnání s charakteristickým nábojem gate poněkud odlišné od toho, s čím se obvykle setkáváme v případě jiných křemíkových prvků. Millerova křivka není tak plochá jako v případě typických křemíkových tranzistorů MOSFET a IGBT. Opět je to především díky nízkým hodnotám transkonduktancí.
Poměrně velká odporová oblast provozu může mít vliv na některé typy projektů a v případě aktivních desaturačních obvodů může stát i za jejich selháním. Některé z těchto aplikací totiž předpokládají, že polovodičový spínač poměrně vysokou impedanci v případě poruch překoná konstantním proudem a/nebo nasycením transkonduktance. Výstupní impedance CMF20120D je však výrazně nižší a obvod se během nadproudu do oblasti čistě konstantního proudu vůbec nedostane. Zejména to platí v případě mírného překročení mezní hodnoty. Z toho důvodu se ani napětí mezi drai a source výrazně nezvýší. Tyto vlastnosti SiC MOSFETů je třeba v systémech ochrany před poruchovými stavy pečlivě zvážit.
Obr. 3 Srovnání charakteristik dopředného vedení (VGS = 20 V, VGE = 15 V)
Na obr. 3 jsou uvedeny doporučené charakteristiky CMF20120D spolu s Si SJMOSFET, TFS a NPT IGBT. Poměrně vysoký kladný teplotní koeficient RDS(on) u Si SJMOSFET má značný vliv na jeho ztráty způsobené vedením. Při provozní teplotě +25 °C jsou ještě hodnoty Si SJMOSFET a CMF20120D poměrně shodné. Ovšem při teplotě +150 °C se hodnota RDS(on) u CMF20120D zvýší o pouhých 20 % (při přechodu z +25 na +150 °C), zatímco u Si SJMOSFET a Si MOS8 vzroste až o více než 250 %! Taková hodnota má samozřejmě podstatný vliv na samotnou tepelnou konstrukci daného zařízení. Jistou výhodou je, že alespoň menší zařízení mohou být použita při vyšších provozních teplotách.
Obr. 4 Závislost parazitních proudů na teplotě
Jednou z klíčových výhod SiC je tedy schopnost provozu i při vysokých teplotách, což nám poskytuje širokou provozní oblast. Jak se zvýšená teplota odráží na hodnotě svodového proudu, je uvedeno v grafu na obr. 4. Tranzistory CMF20120D mají při +150 °C svodový proud přibližně 20× nižší. Srovnání s křemíkovými součástkami ukazuje, že tyto již při +200 °C mají hodnotu svodového proudu velmi vysokou a ta se dále zvyšuje až do okamžiku, kdy součástka přestane kvůli nadměrnému ztrátovému výkonu zcela pracovat. Svodový proud CMF20120D je ještě i při této teplotě celkem přijatelný a je stále více než 100× nižší než u křemíkových součástek.
Obr. 5 Srovnání Qg*RDS(on)
Hlavními prvky při porovnávání MOSFETů jsou hodnota RDS(on) a celkový náboj gate. Rozhodující je samozřejmě nižší hodnota, která je v tomto případě ukazatelem dokonalejší součástky. Srovnání CMF20120D a jiných Si MOSFETů z tohoto pohledu je uvedeno na obr. 5. Si SJMOSFET dosahuje hodnoty 32,4 Ω*nC. Ovšem tranzistory CMF20120D dosahují hodnoty pouhých 7,12 Ω*nC. Navíc CMF20120D jsou schopny provozu až do 1,2 kV, kdežto prvky Si SJMOSFET zvládají pouhých 900 V.
Obr. 6 Spínací ztráty vs. teplota čipu (VDD = VCC = 800 V, ID = IC = 20 A, RG = 10 Ω)
Závislost indukčních rozpínacích ztrát na teplotě CMF20120D a jejich srovnání s TFS a NPT IGBT jsou uvedeny na obr. 6. V případě zpětné diody byla ve všech případech použita SiC Schottkyho dioda s mezními hodnotami 1,2 kV a 10 A. Vypínací ztráty jsou u IGBT výrazně vyšší než v případě CMF20120D a navíc výrazně zvyšují teplotu samotného čipu. To je samozřejmě pro použití IGBT například v obvodech napájecích zdrojů poměrně nepraktické.
K dosažení nízkých spínacích časů je nutné parazitní prvky na gate udržet na minimální hodnotě, zejména pokud se jedná o parazitní indukčnosti. Z toho důvodu je nutné integrovaný budič k CMF20120D umístit co možná nejblíže. Zvláštní důraz by přitom měl být kladen na minimalizaci nebo ideálně úplné odstranění zákmitů v obvodu řízení elektrody gate. V praxi se toho dosahuje například výběrem vhodného vnějšího rezistoru. Pokud na desce s plošnými spoji není možné CMF20120D umístit v těsné blízkosti budiče, doporučuje se použít tzv. Kelvinovo připojení. Pro dosažení nízkých zákmitů lze na desku k/místo rezistorů umístit také feritové korálky (doporučeny jsou nikl-zinkové), které zároveň nemají vliv na rychlost spínání tranzistoru. Abychom v obvodu řízení zabránili vzniku nepříjemného sklonu signálových hran, doporučuje se mezi řídicí elektrodu gate a elektrodu source umístit rovněž rezistor s poměrně vysokou hodnotou (cca 10 kΩ).
Stejně jako jakýkoli jiný výkonový MOSFET i CMF20102D ve svém těle obsahuje křemíkovou PN diodu s napětím přechodu 2,5–2,7 V, ovšem ve srovnání Si SJMOSFET s podstatně nižším zotavovacím nábojem. Přímé použití této diody v aplikaci se však nedoporučuje z důvodu příliš vysokého úbytku napětí v propustném směru. Návrhářům je vždy doporučeno umístit v blízkosti tranzistoru (Cree C2D10120A) křemíkovou Schottkyho diodu.
Oproti konkurenčním křemíkovým prvkům mají tranzistory CMF20120D hned celou řadu nesporných výhod. Aby jich však bylo možné plně využít, je třeba mít neustále na paměti jejich jedinečné provozní vlastnosti. Především je to schopnost budiče poskytnout na svém výstupu rozsah řídicího napětí +20 V a −2 V až −5 V, kdy právě záporné předpětí podporuje dosažení minimální výstupní impedance a vysoké proudové zatížitelnosti. Dále je mezi výstupem budiče a CMF20120D nutné minimalizovat délku spoje (oddělení společné země apod.), která podporuje rychlou náběžnou a sestupnou hranu a dobrý přenos signálu. Rychlé spínací frekvence CMF20120D mohou stát za vznikem nežádoucím zákmitů a napěťových špiček. V každém systému je nutné pečlivě zvážit účinky všech parazitních prvků na dané proudové cesty.
