Динамічні і статичні характеристики SiC MOSFET при паралельному включенні

1. Вступ
2. Вплив Rds (on) на статичний розподіл струмів
3. Вплив Vth на динамічний розподіл струмів
4. Експериментальні дослідження паралельної роботи MOSFET в конвертері SEPIC
5. висновок
6. література

Нюанси, пов'язані з паралельною роботою високошвидкісних приладів SiC MOSFET, в порівнянні з кремнієвими ключами досліджені дуже слабо. У статті розглядаються особливості паралельного включення карбідокремнієвих (SiC) польових транзисторів. Вивчаються параметри, що впливають на статичну і динамічну розподіл струмів даних пристроїв, досліджена залежність цих параметрів від температури напівпровідника. Різниця температур паралельних модулів MOSFET була експериментально виміряна в перетворювачі SEPIC при різних опорах резистора затвора і різних частотах комутації. Отримані результати показують, що струми і температури можуть бути добре збалансовані для останнього покоління SiC MOSFET при низькому опорі затвора.

Вступ

Паралельне включення кремнієвих MOSFET-і IGBT-модулів є звичайною практикою і добре вивчено в різних додатках [1-3]. Однак щодо SiC MOSFET є не так багато інформації. Оскільки карбідокремнієвих транзистори є порівняно новими і використовуються, в основному, в малопотужних схемах, у розробників є велике бажання включити їх в паралель для підвищення потужності. У порівнянні з комерційно доступними модулями SiC MOSFET [4], можна відзначити наступні переваги паралельного використання дискретних приладів:

• Тепло, що виділяється декількома паралельними дискретними приладами, може бути більш рівномірно розподілено по радіатора. Це знижує перегрів чіпів і зменшує градієнт температури між кристалами і навколишнім середовищем.
• Для нарощування потужності можна включити в паралель два або більше модулів, в залежності від конкретного застосування.
• Паралельне з'єднання є економічно ефективним рішенням, оскільки вартість набору дискретних серійних компонентів може бути нижче, ніж ціна потужних спеціалізованих модулів.

При паралельному включенні двох або більше SiC MOSFET може виникнути небаланс струмів через розкиду опорів відкритого каналу Rds (on) і порогових напруг Vth від зразка до зразка. На рис. 1 і 2 показано розподіл значень Rds (on) і Vth для 30 випадково вибраних транзисторів (номінальний струм і напруга 10 А, 1200 В) другого покоління SiC MOSFET C2M - C2M0160120D при кімнатній температурі. Максимальне значення Rds (on) приблизно в один-два рази перевищує мінімальну (в межах випробуваних 30 зразків), а максимальне граничне напруга становить 3,08 В, що набагато більше мінімальної величини Vth = 2,48 В.

При роботі паралельних MOSFET варіації Rds (on) визначають статичний розподіл струмів між транзисторами, а різниця порогових напруг впливає на розкид динамічних перехідних процесів. Транзистор з меншим значенням Vth включається раніше і вимикається пізніше, ніж інші MOSFET з більш високим граничним напруженням. При аналізі паралельної роботи транзисторів параметри Rds (on) і Vth є критичними, тому необхідно досліджувати їх чутливість до інших характеристик напівпровідникового приладу, таким як температура кристала.

У попередніх роботах [7, 8] були запропоновані рішення для балансування струму в процесі комутації транзисторів шляхом додавання додаткового зворотного зв'язку. Такі рішення збільшують вартість пристрою і не можуть застосовуватися при паралельному з'єднанні більш ніж двох ключів. Нашою метою є експериментальне дослідження здатності SiC MOSFET до власної балансуванню без додавання будь-яких датчиків або ланцюгів управління.

Як єдиних регульованих параметрів розглядається напруга і опір затвора. Як зразки для даного дослідження обрані комерційно доступні транзистори 10 А, 1200 В компанії Cree першого покоління (Gen-I) CMF10120D [5] і другого покоління C2M SiC MOSFET C2M0160120D [6] з аналогічними номінальними характеристиками Inc. З кожного покоління для проведення експериментів і аналізу найгіршого випадку були обрані два зразка з 30 з найбільшим розкидом величини порогового напруги.

Вплив Rds (on) на статичний розподіл струмів

Очевидно, що позитивний температурний коефіцієнт (PTC) опору відкритого каналу кремнієвих MOSFET сприяє вирівнюванню струмів при паралельній роботі і допомагає виключити умови виникнення теплового тікання для всіх MOSFET. Для двох паралельних транзисторів (рис. 3) струм через кожен прилад визначається наступним чином:

MOSFET з максимальним значенням Rds (on) буде проводити мінімальний струм.

Як і у кремнієвих польових транзисторів, опір каналу Rds (on) SiC MOSFET також має РТС (рис. 4 і 5). Модуль з більшою температурою кристала проводить менший струм при паралельному з'єднанні, в результаті чого досягається теплова рівновага. Однак у SiC MOSFET температурна залежність Rds (on) не так сильна, як у кремнієвих транзисторів. Як зазначено в [9], величина Rds (on) при температурі 150 ° С в 2,6 рази перевищує Rds (on) при температурі +25 ° С для типового Si CoolMOS з робочою напругою 600 В. У SiC MOSFET ці значення розрізняються всього в 1,2 рази для CMF10120D і приблизно в 1,5 рази для C2M0160120D.

Опір відкритого каналу SiC MOSFET сильно залежить від Vth, як показано на рис. 4. При напрузі на затворі 16 В для CMF10120D величина Rds (on) навіть демонструє негативний температурний коефіцієнт (NTC). Це пояснюється тим, що опір MOSFET, в основному, складається з трьох компонентів: опір каналу 4 (Rch) з NTC; опір JFET області (Rjeft) c PTC і опір дрейфовой області (Rdrift), яке також має РТС. При малому напрузі на затворі складова Rch стає домінуючою, тому загальний опір також набуває NTC.

Опір каналу C2M0160120D демонструє сильнішу температурну залежність Rds (on) завдяки покращеній характеристиці канальної провідності (рис. 5). Таким чином, для забезпечення хорошого розподілу струмів при паралельному з'єднанні, а також зниження втрат в провідному режимі включення SiC MOSFET слід проводити при високій напрузі Vgs.

Вплив Vth на динамічний розподіл струмів

Без урахування комутаційних втрат ток і температура паралельних SiC MOSFET можуть бути збалансовані за рахунок РТС-характеристики Rds (on). На жаль, динамічні втрати у паралельних транзисторів з різним граничним напруженням завжди відрізняються. Два зразка з 30 з мінімальним (зразок А) і максимальним (зразок B) значенням Vth були обрані для кожного покоління MOSFET - Gen-I і C2M, їх параметри при кімнатній температурі наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Гранична напруга і опір відкритого каналу

Зразок Vth, B Rds (on), мом CMF10120D-A 2,74 133 CMF10120D-B 3,50 144 C2M0160120D-A 2,48 146 C2M0160120D-B 3,08 161

Режими паралельної роботи двох Gen-I MOSFET аналізувалися для наступних умов: Vds = 600 В, опір затвора Rg = 41 Ом для кожного транзистора, середній сумарний струм Ids = 20 А. На рис. 7а і 7б показані епюри сигналів включення і виключення відповідно. Видно, що зразок А з меншим значенням Vth включається раніше, ніж зразок В, і він бере на себе більший струм під час перехідного процесу. Його втрати при включенні (252,5 мкДж) вище, ніж у зразка B (165,2 мкДж). Під час вимикання зразок А замикається пізніше і, відповідно, він має великі втрати при виключенні - 296,7 мкДж проти 81,2 мкДж у зразка В. Різниця комутаційних втрат перетворюється в різницю температур кристалів. Градієнт температури «кристал-корпус» Тjc може бути обчислений за допомогою формул:

Psw = (Eon + Eoff) × fsw, (3)

Tjc = (Psw + Pcon) × Rth (jc). (4)

Зразок А матиме вищий перегрів кристалів, якщо втрати в провідному режимі і температура радіатора однакові для обох випадків. За рахунок NTC-характеристики Vth (рис. 6) порогове напруга зменшується при збільшенні температури кристала. Різниця комутаційних втрат також зростає, що формує позитивний зворотний зв'язок. Однак РТС-характеристика Rds (on) в якійсь мірі допомагає компенсувати різницю температур.

Важливо мати якомога менші відмінності комутаційних втрат, викликаних варіаціями порогового напруги. Зниження величини Rg підвищує швидкість перемикання і зменшує рівень динамічних втрат. На рис. 7в і 7г показані епюри сигналів включення і виключення для згаданих вище двох зразків Gen-I з резистором Rg = 5,1 Ом. Комутаційні втрати і різниця між ними скорочені більш ніж в два рази в порівнянні з попереднім випадком, відповідним Rg = 41 Ом.

Аналогічні експерименти, виконані для C2M MOSFET (рис. 8), продемонстрували набагато менший рівень динамічних втрат і їх розкиду між модулями. Це пов'язано з тим, що транзистор C2M має меншу площу кристала і менший рівень напруги Vgd, він може перемикатися швидше, ніж MOSFET Gen-I при тому ж значенні Rg. При більш високій швидкості комутації вплив розкиду Vth стає менш значущим. З урахуванням попередніх досліджень можна зробити висновок, що транзистори C2M SiC мають дві очевидні переваги при паралельній роботі в порівнянні з Gen-I SiC MOSFET. По-перше, у них менше розкид динамічних втрат, викликаних варіаціями порогового напруги, завдяки високій швидкості комутації. По-друге, більш сильна РТС-залежність опору каналу сприяє кращій балансуванню температури кристалів, яка визначається комутаційними втратами.

Експериментальні дослідження паралельної роботи MOSFET в конвертері SEPIC

Для безпечної роботи паралельних MOSFET температура їх кристалів повинна відрізнятися якомога менше. Зразки з великим значенням порогового напруги, згадані раніше, були використані в перетворювачі SEPIC (рис. 9) для оцінки різниці їх температурних залежностей при різних значеннях опору затвора і різних частотах перемикання. Схема управління SEPIC має фіксований коефіцієнт заповнення 50%, тому вихідна напруга дорівнює вхідному, відповідно до виразу (5):

Vout = D / (1-D) × Vin. (5)

У цьому випадку вихідний сигнал надходить на вхідні клеми схеми SEPIC. Таким чином, відбувається рециркуляція енергії, що обмежує споживання потужності від зовнішнього джерела живлення і знижує втрати перетворювача.

У схемі використані два резистора R1 і R2 в ланцюзі управління кожного MOSFET, один з них підключений до затвору, а інший - до витоку транзистора. У такій схемі (рис. 10) струм стоку кожного ключа проходить через висновок витоку в ланцюг заземлення, де встановлений резистивний датчик струму, що дозволяє незалежно вимірювати струм обох MOSFET.

Напруга живлення встановлено на рівні 600 В, струм циркуляції становить 10 А, що відповідає потужності 6 кВт для всіх експериментів. Для кожного покоління MOSFET було проведено чотири тести при наступних умовах:

• Rg = 41 Ом, f = 30 кГц;
• Rg = 41 Ом, f = 100 кГц;
• Rg = 5,1 Ом, f = 30 кГц;
• Rg = 5,1 Ом, f = 100 кГц.

Зазначені величини Rg відносяться до обох опорам R1 і R2. Виміряні значення комутаційних втрат і температури корпусу вказані в таблиці 2. Форми сигналів перемикання на частоті 30 кГц наведені вище.

Таблиця 2. Динамічні втрати MOSFET і температура корпусу при різних умовах випробувань

Rg, Ом Fsw, кГц Psw-A, Вт Psw-В, Вт Тс-А, ° С Тс-В, ° С ΔТс, ° С CMF10120D 41 30 16,5 7,4 63,0 41,9 21,1 100 57,9 24,2 119 67,7 51,3 5,1 30 6,3 4,1 43,7 37,5 6,2 100 21,4 14,0 64,5 51,5 13,0 C2M0160120D 41 30 7,3 4,8 49,2 41,6 7,6 100 23,9 16,3 72,1 58,4 13,7 5,1 30 2,1 1,8 44,0 38,3 5 , 7 100 6,8 6,1 55,6 46,6 9,0

Результати тестів, наведені в таблиці, дозволяють зробити деякі висновки. По-перше, вибір меншого значення Rg чи меншою частоти перемикання дозволяє знизити динамічні втрати і градієнт температур для зразків А і В. По-друге, транзистор C2M MOSFET (10 A, 1200 В) демонструє меншу різницю температур корпусу в порівнянні з MOSFET Gen- I (10 А, 1200 В) при тих же умовах випробувань. По-третє, паралельне з'єднання SiC MOSFET при використанні низького значення Rg, як правило, можна виконувати безпосередньо, без додавання додаткового контуру балансування. На рис. 11 показані форми сигналів перемикання для двох C2M SiC MOSFET при f = 100 кГц і опорі затвора 41 Ом і 5 Ом відповідно. Велика різниця статичних струмів на рис. 11а пояснюється більш високою різницею температур кристалів.

висновок

На підставі наведеного аналізу паралельної роботи SiC MOSFET можна зробити наступні висновки:

• Rds (on) і Vth - два основних параметри, що визначають статичну і динамічну розподіл струмів паралельних MOSFET.
• Використання високої напруги управління затвором позво- ляет зменшити втрати в провідному режимі.
• Зменшення опору затвора може поліпшити динамічний розподіл струмів і знизити різницю втрат перемикання.
• C2M SiC MOSFET краще підходять для паралельного включення, ніж Gen-I SiC MOSFET з таким же номінальним струмом.

При проведенні описаних вище випробувань использова- лась друкована плата з симетричними трасами для подключе- ня паралельних SiC MOSFET, що дозволило звести до мініму- му паразитную індуктивність сполучних ланцюгів. Однак в ряді випадків дуже важко забезпечити симетричну топо- логию з'єднань, при цьому ланцюзі підключення паралельних транзисторів матимуть різні значення распределен- ної індуктивності. Було б цікаво дослідити, як це впливає на поведінку SiC MOSFET в процесі перемикання, це питання є предметом подальшої роботи.

література

1. www.irf.com/technical-info/appnotes/para.pdf
2. Lopez T., Elferich R. Current Sharing of Paralleled Power MOSFETs at PWM Operation // Proc. on the 37th IEEE Power Electronics specialists. PESC 06. Vol. 1. № 1. 18-22 June, 2006.
3. Palmer PR, Joyce JC Current Redistribution in Multi-chip IGBT Modules Under Various Gate Drive Conditions // Proceedings of the Power Electronics and Variable Speed ​​Drives. London. September, 1998..
4. Wang G., Wang F., Gari M., Yang L., Alex H., Mrinal D. Performance comparison of 1200V 100A SiC MOSFET and 1200V 100A silicon IGBT // EneRgy Conversion Congress and Exposition (ECCE). Sept, 2013.
5. www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/CMF10120 D.pdf
6. www.cree.com/~/media/Files/Cree/Power/Data%20Sheets/C2M016012 0D.pdf
7. Chimento F., Raciti A., Cannone A., Musumeci S., Gaito A. Parallel connection of super-junction MOSFETs in a PFC application // EneRgy Conversion Congress and Exposition. 2009.
8. Yang X., Junjie L., Zhiqiang W., Leon MT, Benjamin JB, Fred W. Active current balancing for parallel-connected silicon carbide MOSFETs // EneRgy Conversion Congress and Exposition. 2013.
9. Zheng Chen, Boroyevich D., BuRgos R., Wang F.Characterization and modeling of 1.2 kv, 20 A SiC MOSFETs // EneRgy Conversion Congress and Exposition. 2009.
10. www.wolfspeed.com/~/media/Files/Cree/Power/Articles%20and%20 Papers / White_Paper_Dynamic% 20and% 20Static% 20Behavior% 20 of% 20Packaged% 20Silicon.pdf

Ганьджао Ванг (Gangyao Wang), Джон МООК (John Mookken), Джуліус Рік (Julius Rice), Марчело Шупбах (Marcelo Schupbach)

Переклад: Євген Карташов, Андрій Лебедєв

[email protected]