MOSFET-urile din carbură de siliciu (sau SiC) au avantaje distincte față de MOSFET-urile tradiționale din siliciu și IGBT-urile în aplicațiile de putere cu comutație la înaltă tensiune, comutația la frecvențe înalte (sute de kilohertzi) fiind posibilă cu ajutorul MOSFET-urilor din siliciu, dar acestea nu pot fi utilizate la tensiuni foarte înalte (>1000 V). Dimpotrivă, în timp ce IGBT-urile pot fi utilizate la tensiuni înalte, dar “coada de curent” și oprirea lentă a acestora le limitează doar la aplicații de comutație de frecvență mai mică. MOSFET-urile SiC oferă ce este mai bun din ambele lumi – comutație la frecvențe înalte și la tensiuni ridicate. Totuși, caracteristicile unice ale dispozitivelor MOSFET-urilor SiC presupun cerințe speciale pentru circuitele de comandă a porții. Înțelegerea acestor caracteristici permite proiectanților să selecteze driverele de poartă care pot îmbunătăți fiabilitatea dispozitivului și performanța generală de comutare. În acest articol, discutăm despre caracteristicile dispozitivelor MOSFET SiC și despre cerințele pe care acestea le impun circuitelor de comandă a porții, înainte de a propune un circuit integrat care poate aborda aceste considerente și altele la nivel de sistem.
Caracteristicile MOSFET-urilor SiC
Figura 1: Rezistența On în funcție de temperatura de joncțiune pentru un MOSFET SiC M1 sau M2. Noua generație M3 SiC prezintă un coeficient de temperatură pozitiv pentru toate VGS și pentru întreaga gamă de temperaturi de funcționare. (© onsemi)
În comparație cu dispozitivele din siliciu, MOSFET-urile SiC au o transconductanță (câștig) mai mică, o rezistență internă a porții mai mare, iar pragul de activare a porții lor poate fi mai mic de 2 V. Ca urmare, poarta trebuie să fie trasă sub masă (tipic -5 V) în timpul stării dezactivate. Dispozitivele SiC necesită, în general, o tensiune poartă-sursă între 18 V < VGS < 20 V pentru a reduce rezistența On (RDS) în timpul stării active. Funcționarea unui MOSFET SiC la VGS scăzută poate duce la stres termic sau la o posibilă defecțiune din cauza rezistenței RDS ridicate. Alte efecte asociate cu câștigul scăzut pot avea un impact direct asupra mai multor caracteristici dinamice importante în comutație, care trebuie luate în considerare la proiectarea unui circuit adecvat de comandă a porții. Aceste efecte includ rezistența On, sarcina porții (platoul Miller) și protecția la supracurent (DESAT).
Rezistența On
Figura 2: Rezistența On vs. temperatura de joncțiune pentru un MOSFET M3 SiC. (© onsemi)
La VGS scăzută, caracteristica rezistenței On în funcție de temperatura de joncțiune a unor dispozitive SiC poate părea parabolică* (din cauza unei combinații de caracteristici interne ale dispozitivului). (*Acest lucru este valabil pentru MOSFET-urile Onsemi M1 și M2 SiC.) Când VGS = 14 V, RDS pare să aibă o caracteristică cu coeficient de temperatură negativ (NTC), în care rezistența scade odată cu creșterea temperaturii. Această caracteristică unică a unui MOSFET SiC este atribuită direct câștigului său scăzut, ceea ce înseamnă că dacă două sau mai multe MOSFET-uri SiC ar fi plasate în paralel în timp ce funcționează cu VGS scăzut (TC negativ), rezultatul ar putea fi catastrofal. Prin urmare, se recomandă utilizarea în paralel a MOSFET-urilor SiC numai atunci când tensiunea VGS este de ajuns pentru a asigura o operare fiabilă cu TC pozitiv (adică VGS > 18 V).
Sarcina de poartă
Atunci când o tensiune de poartă (VGS) este aplicată unui MOSFET SiC, sarcina este transferată pentru a crește tensiunea de poartă de la VGS(MIN) (VEE) și VGS(MAX) (VDD) cât mai repede posibil. Deoarece capacitanțele interne ale dispozitivului sunt neliniare, o curbă VGS în funcție de sarcina de poartă (QG) poate fi utilizată pentru a identifica câtă sarcină trebuie livrată pentru o anumită tensiune VGS. Acest “platou Miller” pentru un MOSFET SiC apare la o VGS mai mare și nu este plat ca în cazul unui MOSFET pe siliciu. Un platou Miller care nu este plat implică faptul că VGS nu este constantă pe intervalul corespunzător de sarcină, QG, ceea ce reprezintă o altă consecință a câștigului scăzut al dispozitivului. Pentru a opri cu adevărat MOSFET-ul SiC, trebuie aplicată o tensiune negativă pe poartă și, prin urmare, este necesară o sarcină negativă pe poartă. Pentru a ușura înțelegerea și pentru a facilita calculele, pe grafic, curba QG reprezintă o variație a QG sau cantitatea de sarcină stocată în capacitorul de poartă de la VGS=-5V până la punctul corespunzător de creștere a VGS și nu o valoare absolută. Acesta este motivul pentru care QG = 0C la VGS = -5V pe curbă.
Figura 3: Tensiunea poartă-sursă în funcție de sarcina porții pentru un MOSFET SiC. (© onsemi)
Deoarece dorim să măsurăm cantitatea de sarcină necesară pentru a porni sau a opri MOSFET-ul SiC, curba trasează doar creșterea Qg (sau acumularea Qg sau variația Qg). Valoarea se mai numește și Qg. Aceasta ar putea crea confuzie. Graficul trebuie interpretat ca fiind cantitatea de energie necesară și nu are o energie absolută stocată în capacitorul poartă-sursă.
Principalul motiv pentru a utiliza o tensiune negativă de blocare a driverului de poartă este acela de a reduce scurgerile de curent la nivelul drenei în timpul stării de oprire. Acest lucru se datorează, de asemenea și câștigului scăzut de transconductanță. Utilizarea tensiunii de blocare negative reduce, de asemenea, pierderile în comutație, în principal în timpul opririi.
Prin urmare, pentru aproape toate MOSFET-urile SiC, se recomandă utilizarea unei tensiuni VGS minime, de -5 V < VGS(MIN) < -2 V în timpul stării de oprire, unii producători specificând tensiuni de până la -10 V.
Protecție la desaturare (DESAT)
Protecția DESAT este un tip de detectare a supracurentului care își are originea în circuitele care comandă IGBT-uri. În timpul funcționării, dacă un IGBT nu mai poate fi menținut în saturație (“desaturare”), tensiunea colector-emitor crește în timp ce curge întregul curent din colector. Evident, acest lucru are un impact negativ asupra eficienței și, în cel mai rău caz, ar putea duce la defectarea totală a IGBT-ului. Așa-numita funcție “DESAT” monitorizează tensiunea colector-emitor a IGBT-ului și detectează momentul în care apare o condiție potențial distructivă. Deși mecanismul de defecțiune într-un MOSFET SiC este oarecum diferit, acesta poate suferi o soartă similară atunci când VDS poate crește în timp ce curge un curent de drenă (ID) maxim. Această condiție nedorită poate apărea dacă VGS maxim în timpul pornirii este prea mic, dacă frontul de activare a comenzii porții este prea lent sau dacă există un scurtcircuit sau o stare de suprasarcină. RDS poate crește în timp ce este prezent un ID maxim, provocând o creștere neașteptată a VDS. Atunci când un MOSFET SiC suferă un eveniment de desaturare, VDS răspunde foarte rapid, iar curentul de drenă maxim continuă să curgă prin intermediul unei rezistențe On în creștere. Când, VDS atinge un prag predeterminat, protecția poate fi activată. Trebuie acordată o atenție deosebită pentru a evita întârzierea în detectarea VDS, care poate masca fenomenul. DESAT este, prin urmare, o protecție importantă și complementară a circuitului de comandă a porții.
Comutație dinamică
Figura 4: Secvența de pornire în 4 faze pentru un MOSFET SiC. (© onsemi)
Stările de comutație la pornire și la oprire pentru un MOSFET SiC au patru faze distincte. Formele de undă ale comutației dinamice ilustrate sunt reprezentative pentru condiții ideale de operare. Cu toate acestea, în practică, elementele parazite ale capsulei, cum ar fi inductanța conductorilor și a firelor de legătură, capacitanțele parazite și layout-ul PCB-ului pot afecta profund formele de undă reale. Selectarea corectă a componentelor, cele mai bune practici de layout PCB și un accent pe furnizarea unui circuit de comandă a porții bine conceput sunt esențiale pentru optimizarea performanțelor MOSFET-urilor SiC utilizate în aplicațiile de putere în comutație.
Lista de preferințe pentru driverele de poartă
Pentru a compensa câștigul scăzut al dispozitivului, obținând în același timp o comutație eficientă și de mare viteză, iată care sunt cerințele esențiale pentru un driver de poartă pentru un dispozitiv SiC:
- Majoritatea MOSFET-urilor SiC funcționează cel mai bine atunci când sunt comandate între -5V > VGS > 20V. Driverul de poartă trebuie să poată rezista la VDD = 25V și VEE = -10V pentru a cuprinde o gamă cât mai largă de dispozitive disponibile.
- VGS trebuie să aibă fronturi rapide de creștere și scădere (de ordinul a câtorva ns).
- Abilitatea de a furniza și de a absorbi un curent de vârf ridicat al porții (câțiva amperi) pe întreaga regiune a platoului Miller.
- Capabilitatea curentului de absorbție este determinată de necesitatea de a asigura o impedanță foarte mică de menținere sau “clamp” atunci când VGS scade sub platoul Miller. Valoarea nominală a curentului de absorbție ar trebui să depășească ceea ce ar fi necesar prin simpla descărcare a capacitanței de intrare a unui MOSFET SiC. Un curent de vârf de absorbție minim de ordinul a 10 A ar trebui să fie adecvat pentru a acoperi topologiile de putere de înaltă performanță, în jumătate de punte.
- Nivel de blocare la subtensiune VDD (UVLO) care să corespundă cerinței ca VGS > ~16 V înainte de începerea comutației.
- Capabilitate de monitorizare VEE UVLO pentru a se asigura că linia de tensiune negativă se află într-un interval acceptabil.
- O funcție de desaturare capabilă să detecteze, să raporteze defecțiunile și să asigure protecția pentru o funcționare fiabilă pe termen lung a MOSFET-ului SiC.
- Inductanță parazită redusă pentru comutație la viteze înalte
- O capsulă mică pentru driver, care poate fi amplasată cât mai aproape posibil de MOSFET-ul SiC.
Soluție de driver de poartă
NCP51705 de la onsemi este un driver de poartă SiC care oferă o flexibilitate și o integrare considerabile în proiectare și este compatibil cu aproape orice MOSFET SiC. NCP51705 include multe funcții comune driverelor de poartă de uz general, inclusiv:
- Tensiune de alimentare pozitivă VDD de până la 28 V
- Curent de vârf de ieșire înalt, de 6 A sursă și 10 A sink
- Referință internă de 5 V accesibilă pentru polarizarea de 5 V, sarcini de putere redusă de până la 20 mA (izolator digital, optocuploare, microcontroler etc.)
- Conexiuni de masă separate pentru semnal și alimentare
- Pini de ieșire separați pentru sursă / sink
- Protecție termică internă de oprire
- Intrări TTL, PWM, neinversoare și inversoare separate
Figura 5: Diagrama bloc a driverului de poartă NCP51705 SiC. (© onsemi)
Totodată, acest circuit integrat include mai multe caracteristici speciale care permit proiectarea unui driver de poartă MOSFET SiC fiabil, utilizând un număr minim de componente externe. Acestea includ:
- DESAT
- Pompă de încărcare (pentru a seta linia de tensiune negativă)
- UVLO programabil
- Sincronizare digitală și raportare a defecțiunilor
- O capsulă MLP cu 24 de pini, 4 mm × 4 mm, îmbunătățită termic, pentru o implementare convenabilă la nivel de placă.
Concluzie
Câștigul scăzut al MOSFET-urilor SiC creează o problemă pentru proiectanți atunci când selectează un driver de poarta adecvat. Driverele de poartă low-side de uz general nu dispun de funcționalitatea necesară pentru a comanda un MOSFET SiC eficient și fiabil. NCP51705 include o serie de caracteristici care oferă proiectanților o soluție simplă, de înaltă performanță și de mare viteză pentru a comanda MOSFET-uri SiC cu funcționare eficientă și fiabilă.
Autor: Didier Balocco, Business Marketing Engineer, onsemi
