Gebruik op SiC gebaseerde MOSFET's voor efficiëntere vermogensomzetting

Naarmate vereisten voor meer energie, wettelijke voorschriften en normen op het gebied van efficiëntie en EMI een grotere rol gaan spelen, wordt de behoefte aan vermogensschakelaars voor voedingen steeds groter, omdat deze efficiënter zijn en een groter toepassingsgebied hebben. Tegelijkertijd staan ontwerpers onder constante druk om goedkopere en kleinere producten te maken. Met het oog op deze vereisten is het nodig een alternatief te vinden voor de klassieke op silicium gebaseerde Si-MOSFET.

De derde generatie siliciumcarbide (SiC) is een duidelijke optie gebleken. Op SiC gebaseerde FET’s bieden veel voordelen, met name als het gaat om efficiëntie, grotere betrouwbaarheid, minder problemen wat betreft thermische beheer en een kleiner chip-oppervlak. Deze gelden voor het gehele vermogensspectrum en vereisen geen radicale verandering in ontwerptechnieken, hoewel er wellicht wel enige aanpassingen nodig zijn.

In dit artikel wordt in het kort ingegaan op de verschillen tussen Si en SiC, waarna we een aantal voorbeelden van SiC-componenten van Wolfspeed, introduceren en hoe ontwerpers hiermee kunnen werken.

Vergelijking van SiC- t.o.v. Si-MOSFET’s

Allereerst is het belangrijk dat we de juiste terminologie gebruiken: op SiC gebaseerde FET's zijn MOSFET's, net als hun voorgangers op basis van silicium. De interne fysieke structuur is in ruime zin vergelijkbaar en ze hebben allebei drie aansluitpunten: source, drain en gate.

Zoals de naam al zegt, zit het verschil in het basismateriaal. Zo gebruikt de op SiC gebaseerde FET siliciumcarbide in plaats van alleen silicium. Veel elektronici spreken eenvoudig van SiC-componenten en laten het woordje MOSFET weg. In dit artikel noemen we ze eenvoudig SiC-FET's.

Waarom siliciumcarbide als basismateriaal? Om verschillende fysieke redenen heeft siliciumcarbide drie belangrijke elektrische eigenschappen die aanzienlijk verschillen van silicium en die elk operationele voordelen bieden (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Belangrijkste materiaaleigenschappen van SiC vergeleken met Si en GaN Vergeleken met silicium heeft siliciumcarbide een hogere kritische doorslagspanning, hogere thermische geleidbaarheid en een bredere bandkloof. (Bron afbeelding: Researchgate)

Dit zijn:

• Een hoger kritisch elektrisch doorslagveld van circa 2,8 megavolt per centimeter (MV/cm) vergeleken met 0,3 MV/cm voor silicium. Dit betekent dat bij een bepaalde nominale spanning een veel dunnere laag al volstaat, waardoor de on-weerstand sterk afneemt.
• Een hogere thermische geleidbaarheid, wat leidt tot een hogere stroomdichtheid, oftewel stroom per oppervlak.
• Een bredere bandkloof (het energieverschil (in eV) tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband in halfgeleiders (en isolators)). Dit leidt tot een lagere lekstroom bij hoge temperaturen. Daarom worden SiC-diodes en SiC-FET’s ook wel WBG-componenten (wide band gap) genoemd.

Als gevolg hiervan kunnen SiC-componenten over het algemeen tien keer zo hoge spanningen blokkeren dan siliciumcomponenten en wel tien keer zo snel schakelen, met maar de helft of minder van de on-weerstand bij 25 °C. En omdat ze bij veel hogere temperaturen zoals 200 °C in plaats van 125 °C kunnen werken, wordt het thermisch ontwerp en beheer een stuk eenvoudiger.

Gatedrivers zijn belangrijk om voordelen te realiseren

Halfgeleiderschakelaars werken niet zonder een gatedriver die de digitale regelsignalen omzet in de benodigde stroom en spanning en zorgt voor de vereiste timing voor de schakelaar (en bovendien bescherming biedt tegen de meeste soorten externe storingen). Drivers voor SiC-FET’s hebben echter nog meer functies, zoals:

• Het verlagen van geleidings- en schakelverliezen evenals verliezen aan de gate. Denk hierbij aan in- en uitschakelenergie, het Miller-effect en gatedriver-stroom. Uitschakelenergie is een functie van gateweerstand en gate-sourcespanning in de uit-stand. Om deze energie te verlagen, moet er meer stroom van de gate lopen. Eén manier om dit te doen, is de driver tijdens het uitschakelen een negatieve bias naar de gatespanning laten sturen. Op dezelfde wijze wordt de inschakelenergie verminderd door de gateweerstand te verlagen.
• Het verlagen van het Miller-effect en de negatieve gevolgen die hiermee te maken hebben. Parasitaire capacitanties kunnen onder bepaalde omstandigheden en toepassingsconfiguraties onbedoeld inschakelen veroorzaken. Dit onbedoeld inschakelen verhoogt de omkeerherstelenergie en zorgt voor meer verliezen. Dit kan onder andere worden opgelost met een driver met een zogenaamde Miller-klembeschermingsfunctie die de stuurstroom tijdens het schakelen regelt.
• Het leveren van de benodigde sink- en sourcestroom bij de juiste spanningen. SiC-componenten hebben doorgaans een hogere positieve bias-gate stuurspanning nodig (+20 volt) dan silicium-MOSFET’s om verliezen te minimaliseren. Ook kunnen ze een negatieve uit-gatespanning tussen -2 en -6 volt nodig hebben. De vereiste gatestroom kan worden berekend met behulp van de gatelading (Q_g), V_DD, drainstroom I_D, gate-sourcespanning en gateweerstand en is meestal niet meer dan een paar ampère. Deze stroom moet adequate sink- en sourcewaarden hebben bij een variatiesnelheid evenredig met de schakelsnelheid van de SiC-FET.
• Het minimaliseren van board- en componentparasieten (zowel zwerfinductanties als -capacitanties) die oscillatie, spanning/stroom-overshoots en valse activering bij de hoge schakelsnelheden kunnen veroorzaken. Silicium-MOSFET’s hebben een kleine ‘stroomstaart’ die als een soort demper of snubber fungeert om overshoot en ‘rinkelen’ enigszins te beperken. SiC-MOSFET’s daarentegen hebben geen staart waardoor overshoot van de drainspanning en rinkelen hoger kunnen zijn en voor problemen kunnen zorgen. Het verminderen van deze parasieten vereist zorgvuldige aandacht voor de lay-out, door de lengte van de geleiders zo kort mogelijk te houden en de driver zo dicht mogelijk bij de voeding te plaatsen. Zelfs een paar centimeter kan verschil maken, omdat het effect van deze parasitaire inductanties en capacitanties duidelijker is bij hogere schakelsnelheden van SiC-FET's. Minder ‘rinkelen’ heeft ook een tweede voordeel, omdat het de EMI vermindert die gepaard gaat met het snel schakelen van zowel de stuur- als de belastingzijde van het component.

Ondanks de extra problemen bij het gebruik van SiC-MOSFET's zijn bij veel leveranciers standaard IC's verkrijgbaar die speciaal hiervoor zijn ontworpen en afgestemd zijn op de specifieke behoeften van SiC-componenten. Let wel dat in veel ontwerpen de gatedrivers en SiC-FET's galvanisch gescheiden moeten zijn van het laagspanningscircuit. Dit kan worden gerealiseerd via optische technieken, pulstransformators of capacitieve isolatietechnieken met behulp van standaardcomponenten. De isolatie is in eerste plaats nodig om gebruikers te beschermen tegen hoge spanningen in geval van circuitstoringen en ten tweede voor de vele circuittopologieën waarin de MOSFET per definitie niet geaard is, zoals in brugconfiguraties.

Prestatiemogelijkheden van nieuwe componenten

De eerste commercieel verkrijgbare SIC-MOSFET, de CMF20120D, werd in januari 2011 geïntroduceerd door Wolfspeed (Wolfspeed is de vermogens- en RF-divisie van Wolfspeed; de naam werd in 2015 bekendgemaakt) terwijl SiC-wafers een paar jaar eerder al verkrijgbaar waren. Deze MOSFET was geschikt voor 1200 volt/98 A met 80 mΩ on-weerstand (bij 25 ⁰C) en werd geleverd in een TO-247-behuizing. Wolfspeed volgde al snel met een 2^de generatieproces en nu met de 3^de generatie SiC-MOSFET C3M componenten (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Deze vergelijking van de 2^de (links) en 3^de generatie (rechts) SiC-processtructuur toont een aantal kleine verschillen, maar deze doorsneden geven niet de resulterende verbetering in prestatiespecificaties weer. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

Zo is de C3M0280090J bijvoorbeeld een van de eerste 900 volt SiC MOSFET's in de industrie. Deze MOSFET is geoptimaliseerd voor hoogfrequente vermogenselektronicatoepassingen, zoals omzetters voor hernieuwbare energie, oplaadsystemen voor elektrische auto’s en industriële driefasevoedingen (Tabel 1).

Tabel 1: De belangrijkste kenmerken van de C3M0280090J SiC-MOSFET van Wolfspeed laten zien dat deze geschikt is voor omvormers voor hernieuwbare energie, oplaadsystemen voor elektrische auto's en industriële driefasevoedingen. (Bron tabel: Wolfspeed)

Naast de spannings-/stroomspecificaties is dit component geoptimaliseerd voor snel schakelen met lage capacitanties. De lage impedantiebehuizing heeft een driver-sourceaansluiting (Afbeelding 3), een snelle intrinsieke diode met een lage omkeerherstellading (Qrr) en een brede kruipstroomafstand (~7 mm) tussen de drain en de source.

Afbeelding 3: De C3M0280090J van Wolfspeed heeft een lage impedantiebehuizing en een driver-sourceaansluiting. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

Dit 900 volt platform maakt kleinere, hoogefficiënte next-generation vermogensomzettingssystemen mogelijk tegen een prijs die gelijk is aan op silicium gebaseerde oplossingen, maar met superieure specificaties. De grafiek voor het veilige werkgebied (safe operating area, SOA) toont de mogelijkheden van deze SiC-FET (Afbeelding 4). Bij een lage drain-sourcespanning (V_DS) wordt de maximale stroom beperkt door de on-weerstand, terwijl bij een matige V_DS het component gedurende een korte tijd een stroom van 15 A kan weerstaan.

Afbeelding 4: De grafiek van het veilig werkgebied (SOA) voor de C3M0280090J van Wolfspeed geeft I_DS weer als functie van V_DS. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

Prestaties afhankelijk van de behuizing

Wolfspeed biedt tevens drie componenten met vergelijkbare specificaties: de C3M0075120D, de C3M0075120K en de C3M0075120J. De verschillen worden grotendeels bepaald door de behuizing (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Wolfspeed levert dezelfde 1200 volt SiC-FET in drie behuizingen met vergelijkbare maar niet precies dezelfde specificaties. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

Terwijl de verschillen duidelijk zijn, zit er meer aan het verhaal. Model D wordt geleverd in een behuizing met drie pennen (T/M-247-3), terwijl model K uitgerust is met vier pennen (T/M-247-4). Deze twee componenten, evenals model J met zeven pennen, bevatten een Kelvin-sourcepen die het effect van voltagepieken als gevolg van L × di/dt in de gateschakeling verlagen. Hierdoor kan er een hogere spanning op de gate en de source worden aangelegd, wat resulteert in sneller dynamische schakelen. De resultaten tonen een potentiële vermindering van schakelverliezen met een factor 3,5 wanneer de componenten in de buurt van hun nominale stroom worden gemeten.

Evaluatieboards en referentieontwerpen voor sneller succes

Hoewel aan de andere kant van het RF-ontwerpspectrum met gigahertz frequenties, verdienen hoogpresterende schakelingen voor gebruik bij hogere spanningen en vermogensbereiken nog steeds de nodige aandacht. Voor componenten en lay-out is elke kleinigheid en eigenaardigheid belangrijk en de fysieke schakeling staat zelfs de kleinste vergissing of nalatigheid niet toe.

Om ontwerpers te helpen SiC-FET’s zoals de C3M0075120D en C3M0075120K te evalueren, levert Wolfspeed de KIT-CRD-3DD12P buck-boost evaluatiekit om de snelle schakelprestaties van deze componenten te demonstreren (Afbeelding 6). Deze kit is ontworpen voor zowel de behuizing met drie pennen, de C3M0075120D, als de anderszins identieke versie met vier pennen, de C3M0075120K. Op deze manier kunnen ontwerpers de prestaties van de 3de generatie (C3M) MOSFET's van Wolfspeed in verschillende behuizingen testen en vergelijken.

Afbeelding 6: De KIT-CRD-3DD12P evaluatiekit is een handige manier om de prestaties van de TO-247-behuizing met drie pennen, de C3M0075120D, en de C3M0075120K met vier pennen te beoordelen. Let vooral op het grote koellichaam en de toroïdale inductor voor superieure thermische prestaties. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

De evaluatiekit bevat een halvebrugconfiguratie en gebruikers kunnen een MOSFET of diode in de bovenste of onderste positie toevoegen, zodat het board in gangbare topologieën voor vermogensomzetting zoals synchrone buck of synchrone boost kan worden geconfigureerd. Ook kunnen diodes in de bovenste of onderste positie worden toegevoegd om een asynchrone buck- of asynchrone boost-omzettertopologie te evalueren.

Daarnaast wordt de kit geleverd met een laagverliesinductor gemaakt van ‘sendust’. Dit magnetische metaalpoeder, ook wel bekend als Kool Mµ, bestaat uit 85% ijzer, 9% silicium en 6% aluminium en wordt gebruikt als alternatief voor permalloy vanwege betere specificaties voor belangrijke magnetische en temperatuurparameters.

Voor gebruikers die hun eigen gatedriver-subschakeling willen ontwerpen, biedt Wolfspeed een referentieontwerp voor de CGD15SG00D2 gatedriver om deze 3^de generatie SiC-FET’s te evalueren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De bovenkant (links) en onderkant (rechts) van het referentieontwerp voor de CGD15SG00D2 gatedriver. Met dit volledig uitgeruste board kunnen gebruikers de prestaties van de TO-247-behuizingen met drie en vier pennen met behulp van dezelfde SiC-MOSFET-chip evalueren. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

Het hoog niveau blokdiagram (Afbeelding 8) van de CGD15SG00D2 toont de functies van dit referentieontwerp, waaronder de optokoppeling (U1), de gatedriver-IC (U2) en de geïsoleerde voeding (X1). De optokoppeling (5000 volt AC isolatie) accepteert pulsbreedte gemoduleerde (pulse-width modulated, PWM) signalen en levert common-mode immuniteit van 35/50 kilovolt/microseconde (kV/µs) (minimum/typisch). Andere vermeldenswaardige kenmerken zijn:

• Een groef om de voorgeschreven gespecificeerde kruipstroomafstand tussen de logische zijde en de voedingszijde van de printplaat te verbeteren evenals een kruipstroomafstand van 9 mm tussen de primaire en secundaire schakelingen op de printplaat.
• Een geïsoleerde voeding van 2 watt die de werking van grotere MOSFET's bij hogere frequenties ondersteunt.
• Weerstanden voor het afzonderlijk in- en uitschakelen van de gate met een speciale diode, waardoor de gebruiker zowel de in- als uitschakelsignalen kan aanpassen en optimaliseren.
• Een common-mode inductor op de logische voedingsingang voor verbeterde EMI-immuniteit.

Afbeelding 8: Dit hoog niveau blokschema van het referentieontwerp voor de CGD15SG00D2 gatedriver geeft de belangrijkste functionele blokken weer: optokoppeling U1, gatedriver-IC U2 en geïsoleerde voeding X1. (Bron afbeelding: Wolfspeed)

Conclusie

Vergeleken met traditionele Si-MOSFET's bieden derde generatie SiC-MOSFET's van Wolfspeed aanzienlijke prestatievoordelen op het gebied van efficiëntie en thermische mogelijkheden voor vermogensschakeltoepassingen. In combinatie met een geschikte driver leveren ze betrouwbare, consistente prestaties voor zowel nieuwe als bekende toepassingen.