Dans l'article, vous apprendrez les caractéristiques de l'utilisation des transistors et des diodes MOSFET en carbure de silicium, comment choisir un élément et une comparaison avec des dispositifs en silicium (Si), et, surtout, les résultats de mes expériences et recherches pour ralentir le commutation de transistors SiC, réalisée sur mon développement récent - la source d'alimentation pour l'énergie solaire.
Sous la coupe un peu d'analyse et de pratique dans le domaine de l'électronique de puissance - bienvenue.
Carbure de silicium
Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à large écartement utilisé dans la fabrication de diodes, transistors et thyristors. Le carbure de silicium est entré dans ma pratique en tant que développeur d'électronique de puissance pendant très longtemps. Il y a environ dix ans, j'ai lu un article d'Infineon selon lequel l'utilisation d'une diode SiC dans un correcteur de facteur de puissance (PFC) peut augmenter considérablement l'efficacité du convertisseur. Appliqué. Et même comparé à une diode au silicium - en effet, le gain s'est avéré très important. Depuis, j'ai appliqué des diodes et des transistors SiC dans de nombreux modèles.
Voyons quels avantages les MOSFET SiC ont par rapport à ceux en silicium:
- (Ciss) (Coss) , ;
- Qg, ;
- RDSon, ( );
- RDSon ;
- ;
- .
Afin de ne pas être infondé, je propose de comparer les paramètres d'un transistor en carbure de silicium avec des paramètres similaires basés sur Si. A titre de comparaison, j'ai choisi un MOSFET SiC Wolfspeed (Cree) (C3M0060065K), ainsi qu'une paire de transistors Infineon des familles C7 (IPW65R065C7) et CFD7 (IPW60R070CFD7). Ces transistors sont sélectionnés parmi les meilleures familles, car ils peuvent en quelque sorte concurrencer en paramètres électriques le carbure de silicium.
En regardant cette comparaison, nous pouvons dire que le carbure de silicium est supérieur aux transistors de silicium à tous égards (sauf pour le prix). Quelques mots sur la résistance du canal R DSon . En effet, ce paramètre pour les transistors Si sélectionnés est légèrement inférieur dans des conditions normales, mais ceci est plus que compensé par la très forte dépendance en température de R DSon .
L'image suivante montre les données de dépendance pour deux transistors. On voit qu'à une température de 100 ° C (je mets des points sur les graphiques) l'excès pour le carbure de silicium n'est que de 10%, et pour un transistor silicium 65%.
Les semi-conducteurs de puissance ne fonctionnent jamais à température ambiante et l'effet de la température du cristal sur la résistance du canal aller peut être assez important. Cette caractéristique doit toujours être prise en compte lors du calcul des pertes statiques et du choix des transistors. Le graphique montre que même à une température de 75 ° C, lors du calcul de la valeur effective R DSon pour le silicium, un facteur de correction de 1,4 doit être appliqué.
Nous avons examiné les avantages du carbure de silicium, quel est le revers de la médaille?
Qu'est-ce qui peut vous empêcher d'utiliser un SiC-MOSFET?
Prix. Bien que ce qui précède soit une comparaison de prix, il s'agit d'une sélection d'appareils PP plus ou moins équivalents (disons, de première classe). Et le problème peut être résolu avec des transistors moins chers. Par exemple, NTHL095N65S3HF - un transistor au silicium ordinaire de ONsemi, 650V, 36A, ne coûte que 4,86 $, et dans un lot de 100 pièces, il est encore moins cher - 3,3 $. Il est normal que la résistance du canal soit légèrement plus élevée, elle remplira sa tâche, elle sera tout simplement inférieure à l'efficacité du convertisseur. Avec un désir particulier, vous pouvez trouver un transistor d'un bon fabricant chinois pour 2,5 $.
Commutation très rapide. D'une part, c'est un plus - les pertes dynamiques sont réduites. Mais d'un autre côté - moins, de grandes valeurs de dV / dt entraînent une augmentation du niveau d'interférence, à la fois conduit et rayonné. Mais personne n'a annulé la certification et les tests pour la CEM.
La nécessité d'une commande de porte bipolaire (verrouillage actif). Oui, des transistors SiC font leur apparition, là où la DS dit que ce n'est pas nécessaire. Mais pour être honnête, je ne ferais pas cela pour des applications industrielles difficiles.
Absence de normes pour la ventilation par avalanche. Pour être honnête, ce fait m'a surpris. En effet, ces normes (taux d'avalanche) pour les transistors SiC sont absentes dans DS. Les principaux fournisseurs sont silencieux "avec tact", même si j'ai réussi à trouver cela sur le site Web de ROHM Semiconductor .
Après avoir lu des études indépendantes sur la dégradation par avalanche du carbure de silicium, il est devenu clair qu'il s'agit d'un véritable trou de ver et, peut-être, un examen de ce sujet dépasse le cadre de cet article. La seule chose que l'on peut noter est que la tension de claquage en avalanche du SiC-MOSFET est significativement (1,5 à 1,8 fois) plus élevée que la tension drain-source à la limite.
Un peu sur les diodes en carbure de silicium
Les diodes SiC sont largement utilisées dans les correcteurs de facteur de puissance (PFC, PFC). KKM est presque toujours un convertisseur élévateur, respectivement, commutation dure et grande oscillation de tension. Une diode de récupération inverse rapide est idéale ici. Surtout pour le mode courant continu (CCM) lorsque la commutation est sous tension.
Si auparavant, lorsque le prix des diodes en carbure de silicium était relativement élevé, il pouvait y avoir des options, maintenant, sans aucun doute, ne mettez que ces excellentes diodes dans le KKM.
D'autres applications peuvent également être trouvées, comme les redresseurs haute tension.
Etude du processus de commutation SiC-MOSFET
Lors de la planification du développement d'une alimentation avec une tension d'entrée allant jusqu'à 1500V, j'ai commencé à étudier à l'avance les caractéristiques de l'utilisation de transistors en carbure de silicium. J'étais particulièrement intéressé par les valeurs critiques de la vitesse de montée de la tension drain-source (dV / dt), ainsi que par les méthodes pour ralentir la commutation. Nous avons réussi à obtenir des réponses à ces questions lors du webinaire de l' un des distributeurs:
Après la construction et le débogage de la première itération du convertisseur, j'ai décidé de faire des recherches sur la possibilité de ralentir le processus de commutation. Le convertisseur est réalisé dans une topologie en demi-pont, la puissance est de 100 W, la tension d'alimentation est de 750 V, le contrôle du transistor se fait selon le schéma suivant:
Avec une augmentation de la résistance des résistances de grille (R2, R3), les valeurs de la durée des fronts de commutation ont été mesurées, ainsi que le rendement de l'ensemble du convertisseur. Pour être honnête, je m'attendais à ce que lorsque les fronts seraient resserrés, les pertes dynamiques augmenteraient et l'efficacité diminuerait. En réalité, cela s'est avéré différent - les changements d'efficacité n'étaient pas significatifs. Plus précisément, lors de la mesure à l'aide d'un ampèremètre intégré à l'alimentation, la différence n'était pas perceptible en raison de la faible résolution de ce compteur. J'ai réalisé mon erreur et l'ai mesurée à nouveau en utilisant un ampèremètre plus précis.
Aux points extrêmes, j'ai les valeurs suivantes:
- avec une résistance de grille de 5,6 Ohm, le rendement est de 85,0%;
- avec une résistance de grille de 330 Ohm, le rendement est de 84,46%.
Ainsi, la puissance supplémentaire est d'environ 0,5 W. On peut supposer qu'il s'agit uniquement d'une conséquence d'une augmentation des pertes dynamiques. Même dans ce cas, on divise par deux transistors et on obtient 0,25 W de dissipation de puissance supplémentaire par interrupteur. Je ne dirais pas que c'est beaucoup. De plus, 330 ohms à la porte est une valeur totalement impossible! Pour être honnête, il était effrayant d'installer de telles résistances (les développeurs d'alimentation me comprendront) et je me demande comment la source avec une tension d'entrée de 750V n'a pas grillé. Mais, comme on dit, ce qui ne peut vous faire pour le bien de la science
Oscillogrammes de la tension drain-source de la touche inférieure avec des résistances de grille de 5,6 Ohm:
Oscillogrammes de la tension drain-source de la touche inférieure avec résistances de grille 220 Ohm:
Temps de commutation en fonction des valeurs de résistance de grille:
Bien sûr, j'étais très intéressé par ce qui se passe à la porte avec une résistance de grille de 330 ohms. L'étagère de Miller n'était pas si énorme:
Conclusion
Permettez-moi de vous rappeler que l'objet de l'étude était une alimentation électrique de 100 W avec une tension d'entrée de 200 à 750 V (CC). Tension de sortie 24V. Topologie - demi-pont. Transistors de puissance C2M1000170D (carbure de silicium).
Ainsi, la vitesse de montée de tension la plus élevée obtenue au drain est de 18 V / ns, ce qui est nettement inférieur aux valeurs limites de dV / dt 100-150 V / ns.
Une conclusion importante qui peut être tirée de ces études est que retarder les fronts de commutation des transistors en carbure de silicium en augmentant les résistances de grille n'est pas particulièrement efficace. À mon avis, dans une vraie conception, vous pouvez vous permettre d'installer une résistance de grille de 22 ohms, enfin peut-être 47 ohms dans certains cas. On peut voir d'après les résultats de l'étude qu'à de telles valeurs, il n'y a pas de traînée significative des fronts.
Concernant l'utilisation de semi-conducteurs en carbure de silicium - diodes SiC indispensables dans tout PFC (s'il n'y a pas d'objectifs de prix vraiment stricts), comme pour les transistors, j'ai déduit pour moi-même plusieurs conditions dans lesquelles ils doivent être utilisés:
- tension d'entrée élevée du convertisseur (500-1500V);
- température ambiante élevée ou mauvaises conditions de refroidissement;
- une compacité accrue de la solution est requise (en conséquence, nous choisissons une fréquence plus élevée);
- une efficacité élevée est requise;
- Je veux
me sentir coolpour essayer de nouvelles technologies d'électronique de puissance.
Vous pouvez utiliser mes recommandations ou créer les vôtres. Dans tous les cas, laissez vos développements être efficaces et fiables! Et, jusqu'à ce que nous nous revoyions.
Le pouvoir est cool - faites avec.