Простой способ управления ключами CoolSiC MOSFET
В статье описан легко воспроизводимый способ определения чувствительности карбидокремниевых MOSFET, и представлены результаты испытаний дискретных CoolSiC MOSFET.
Введение
Включение транзисторов, обусловленное емкостью Миллера, часто считается недостатком современных карбидокремниевых (SiC) MOSFET. Во избежание этого эффекта схемы управления затвором для преобразователей с жесткой коммутацией, как правило, реализуются с использованием отрицательных напряжений выключения затвора. Но так ли следует управлять транзисторами CoolSiC MOSFET?
Ключевым условием успешной реализации схем с управляющим затвором является корректный выбор уровня напряжения затвора. Технология CoolSiC MOSFET от компании Infineon предусматривает выбор напряжения включения затвора в пределах между 18 и 15 В так, чтобы ключ имел наибольшую токонесущую способность или устойчивость к короткому замыканию, соответственно. С другой стороны, уровень напряжения выключения затвора должен только отвечать за безопасное отключение устройства. Компания Infineon предоставляет возможность использовать дискретные MOSFET при 0 В с простой схемой управления затвором.
Рисунок 1
Рисунок 2
Влияние емкости Миллера CGD при выключении внутреннего диода
Измерительная схема для снятия характеристик: ключ S1 в верхнем плече работает как генератор сигналов dv/dt, а ключ S2 является испытуемым устройством. Цель измерения – установить максимальную величину сопротивления в цепи затвора разомкнутого ключа S2, при которой еще удается избежать паразитного включения
Паразитный эффект включения
Измерительная схема для снятия характеристик: ключ S1 в верхнем плече работает как генератор сигналов dv/dt, а ключ S2 является испытуемым устройством. Цель измерения – установить максимальную величину сопротивления в цепи затвора разомкнутого ключа S2, при которой еще удается избежать паразитного включения может превысить пороговый уровень, что приведет к одновременному замыканию ключей, появлению сквозного тока и росту коммутационных потерь.
Разумеется, риск одновременного замыкания ключей и тяжесть его последствий зависят от конкретных условий эксплуатации и измерительного оборудования. Наиболее критичными показателями являются высокое напряжение шины постоянного тока, резкий рост напряжения и высокая температура перехода. Из-за них не только возрастает напряжение затвора, но и снижается пороговый уровень. К основным факторам, оказывающим влияние на оборудование, относятся нежелательная паразитная емкость платы, параллельная емкости CGD, внешний конденсатор, параллельный CGS, напряжение выключения затвора и сопротивление в цепи затвора ключа при отключении.
Измерительная схема
Чтобы определить чувствительность к паразитному эффекту включения, разработчики часто используют характеристику заряда затвора полупроводникового ключа из технического описания. Однако оно не позволяет сделать корректные выводы относительно конкретного приложения. Главным недостатком является то, что характеристика заряда затвора является в большей степени статической, тогда как паразитное включение относится к чисто динамическим эффектам. Специализированные испытания по определению чувствительности выполняются для оценки паразитного эффекта включения 1200-В/45-мОм CoolSiC MOSFET в 3- и 4-выводных корпусах TO-247 в условиях эксплуатации конкретного приложения. Все тесты выполняются при нулевом напряжении затвора разомкнутого ключа.
Оценочная плата с полумостовой конфигурацией реализована в соответствии со схемой на рисунке 2. В ней ключ в нижнем плече является испытуемым устройством, а ключ в верхнем плече работает в качестве генератора сигналов dv/dt. При включении транзистора в верхнем плече рост напряжения сток-исток ключа в нижнем плече приводит к изменению напряжения затвора dvDS/dt. При этом, чем меньше сопротивление в цепи затвора ключа в разомкнутом состоянии, тем меньше шанс паразитного включения. Цель этого эксперимента – определить критическую величину сопротивления в цепи затвора разомкнутого ключа для рассматриваемого сценария испытания. При этом критичном сопротивлении в цепи затвора величина Q*RR увеличивается на 10% относительно значения при нулевом сопротивлении. Q*RR обозначает сумму трех зарядов: заряда обратного восстановления внутреннего диода; емкостного заряда полупроводников, элементов топологии и пассивных компонентов; заряда, возникающего из-за паразитного эффекта включения. Пороговый уровень 10% достаточно велик, чтобы получить надежные результаты измерений, но сравнительно мал для большинства приложений (см. рис. 3). Испытания осуществляются при разных температурах, токовых нагрузках и разной скорости нарастания напряжения. Эта скорость регулируется с помощью сопротивления RGon ключа S1 в верхнем плече.
Рисунок 3
Рисунок 4
Характеристики 1200-В/45-мОм CoolSiC MOSFET при 100°C с разными значениями сопротивления в цепи затвора разомкнутого ключа RGoff. Величина Q*RR больше на 10% (оранжевая кривая, 12 Ом) и на 40% (красная кривая, 22 Ом) по сравнению с исходным сигналом (черным цветом, 0 Ом)
Зависимость критичных значений сопротивления в цепи затвора от dvDS/dt 1200-В/45-мОм CoolSiC MOSFET. Точки измерения получены при напряжении 800 В и токе 0 А; напряжение затвора разомкнутого ключа – 0 В. Пунктирные линии соответствуют расчетным значениям
Результаты измерений
Тестирование при нулевом нагрузочном токе означает, что внутренний диод испытуемого устройства не является прямосмещенным до переходного процесса при коммутации. Поскольку восстановления диода не наблюдается, переходный процесс обусловлен только перезарядом емкостей транзисторной структуры. В таких условиях напряжения, наведенные на паразитные индуктивности, не играют существенной роли. Таким образом, у корпуса TO-247 и 4-выводного корпуса TO-247 – одинаковые характеристики.
Результаты измерений при напряжении 800 В и токе представлены на рисунке 4. Хорошо видно, что для предотвращения эффекта включения из-за паразитной емкости величина RGoff должна быть тем ниже, чем больше dvDS/dt и выше температура. Заметим, что нулевого напряжения затвора разомкнутого ключа достаточно, чтобы избежать нежелательного отпирания даже при 50 В/нс и температуре 175°C. Если нельзя выбрать достаточно малое сопротивление RGoff, применяются драйверы затвора с активным ограничением эффекта Миллера, например 1EDC30I12MH.
При более высоких уровнях нагрузки происходит жесткая коммутация между внутренним диодом ключа S2 и ключом S1. Из-за обратного восстановления диода и индуцированного напряжения ситуация немного усложняется. По сути, необходимо учитывать три следующих эффекта:
1. Процесс восстановления внутреннего диода уменьшает среднюю скорость dvDS/dt и препятствует включению, обусловленному паразитной емкостью.
2. Из-за колебательных процессов между индуктивностью коммутационной петли и выходной емкостью устройства локально возрастает величина dvDS/dt.
3. При использовании стандартного корпуса TO-247 отрицательная обратная связь через общий вывод истока ключа S2 уменьшает напряжение затвора, в результате чего возрастает устойчивость к паразитному эффекту включения. Очевидно, что вклад каждого из трех перечисленных факторов зависит от аппаратной реализации измерительной установки. Например, при использовании оценочной платы во всех трех описанных в статье тестах наиболее критичными являются условия эксплуатации, при которых температура равна 175°C, а ток – 0 A. Таким образом, заштрихованная область, в которой отсутствует включение из-за паразитной емкости, на рисунке 4 соответствует результатам измерения при токе 40 А. И в этом случае не важно, какой корпус использовался, – TO-247 или 4-выводной TO-247.
Рисунок 5
Минимальные уровни коммутационных потерь при включении разных 1200-В SiC MOSFET при 800 В, 15 A и 150°C
Высокоскоростные коммутационные приложения
Как видно из рисунка 3, трудно отличить друг от друга ток, протекающий при одновременном замыкании ключей, от тока обратного восстановления внутреннего диода. Оба эффекта замедляют или сглаживают изменение напряжения в переходном процессе и способствуют увеличению коммутационных потерь энергии не только в диоде, но и в ключе. В приложениях, в которых требуются высокие скорости переключения, включение из-за паразитной емкости ограничивает эффективность решений, как и в случае выбора неподходящего антипараллельного диода.
На рисунке 5 показаны минимальные уровни коммутационных потерь при включении разных карбидокремниевых MOSFET при управляющем напряжении затвора 18/0 В. Диапазон номинальных значений сопротивления открытого канала испытуемых устройств составляет 60–80 мОм, сопротивление в цепи затвора – 4,7 Ом. Для сравнения на рисунке также показаны коммутационные потери CoolSiC MOSFET с управляющим напряжением 18/–5 В.
Хотя не все устройства поддерживают высокие скорости коммутации при таких параметрах управления, результаты свидетельствуют о высокой устойчивости CoolSiC MOSFET к включению, обусловленному паразитной емкостью.
Выводы
Мы рассмотрели простой способ определения чувствительности силовых полупроводниковых ключей к замыканию, вызванному емкостью Миллера. Результаты испытаний для дискретных CoolSiC MOSFET, работающих при напряжении шины постоянного тока 800 В и коммутационной скорости 50 В/нс, показывают, что нулевое напряжение управления затвора для отключения транзистора в схеме высокоскоростного двухуровневого преобразователя является допустимым. Для трехуровневых схем, где переключаемое напряжение составляет всего половину напряжения шины постоянного тока, ситуация упрощается в еще большей мере. В таких случаях CoolSiC MOSFET фактически избавлены от емкостного включения независимо от величины сопротивления в цепи затвора.
Компания Infineon предлагает разработчикам силовой электроники для управления дискретными MOSFET выбирать нулевое напряжение затвора в приложениях с хорошо проработанной топологией печатной платы и минимальной емкостью затвор–сток. Благодаря такому решению упрощается конструкция драйвера затвора; при этом эффективность изделия не ухудшается.