Приложение на SiC прибори в силови електронни системи

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 3/2022 • 25.05.2022

Приложение на SiC прибори в силови електронни системи

 

Фокусът е върху надеждността, съвременните методи за управление на гейта и ориентирането към системни решения


Орландо Еспарза

 

Търсенето на продукти на базата на силициев карбид (Silicon Carbide – SiC) постоянно се увеличава. SiC елементите повишават ефективността на съвременните силови електронни системи и намаляват размерите, теглото и цената им. Тези нови решения не осигуряват пълна или лесна замяна на силициевите полупроводникови елементи и не са създадени по същата класическа технология. За да реализират пълните възможности на SiC, развойните инженери трябва внимателно да проучат възможностите на елементите и на производителя, като подлагат на тест качеството, възможностите за доставка и техническата поддръжка. Необходимо е и добро познаване на начините за оптимизация при интегриране на тези съвременни компоненти в крайния продукт.

 

Приложение в индустрията

SiC технологията се намира в етап на бързо внедряване в индустрията. Увеличиха се наличните продукти, както и разнообразието, предлагано от различните производители. Пазарът на SiC продукти се удвои през последните 3 години и се предвижда да нарасне над 20 пъти до повече от 10 млрд. USD през следващите 10 години. Интеграцията се простира отвъд приложенията за силова електроника в хибридни и електрически превозни средства (H/EV), към управление на захранвания и двигатели в локомотиви, камиони и тежки строителни машини, индустриална екипировка и зарядни станции. Доставчиците на аерокосмически и отбранителни продукти също изискват развитието на качеството и стабилността на SiC елементите, за да могат да отговорят на строгите изисквания в тази област.

Ключова част от програмата за развитие на SiC компонентите е характеризирането на тяхната надеждност и устойчивост, като се наблюдават съществени разлики при различните производители. При съвременната тенденция за одобрени доставчици на всички компоненти, развойните инженери трябва да огледат целия обхват от продукти на производителя. Съществена е възможността за избор на производител, който може да предложи гъвкави решения като некорпусирани чипове (SiC die), подходящи за директно бондиране, готови дискретни и модулни решения, които при това да бъдат подкрепени от дистрибуторска мрежа, действаща техническа помощ и добре работещи инструменти за симулация и развой. Тези инженери, които искат да гарантират сигурно бъдеще на продуктите си, ще трябва да използват нови начини на работа, като например програмируеми цифрови гейт драйвери и съответния софтуер за конфигурация.

 

Първа стъпка – три ключови теста

Поредица от 3 теста дава нужните данни за оценяване на надеждността на всеки SiC елемент:

  • Лавинен пробив
  • Устойчивост при късо съединение
  • Надеждност на вградения SiC MOSFET диод

 

Адекватната възможност за лавинен пробив е критична: даже малък проблем с пасивен елемент може да причини преходен напреженов пик, който да прехвърли максималното пробивно напрежение, което пък ще доведе до повреда на елемента или дори на цялата система. SiC MOSFET с адекватен лавинен пробив намаляват необходимостта от защити от пренапрежение и удължават живота на цялата система. Най-добрите елементи демонстрират висока устойчивост на преходни процеси, предизвикани от индуктирано пренапрежение (Unclamped Inductive Switching – UIS) – например до 25 J/cm2. Такива елементи имат ниска деградация на параметрите дори след 100 000 цикъла на повтарящи се UIS тестове.

Вторият ключов тест е времето за устойчивост при късо съединение (Short Circuit Withstand Time – SCWT) или максималното време, което елементът може да издържи, без да се повреди в състояние на късо съединение. Резултатът трябва да бъде близък до този на IGBT компонентите, използвани в силови преобразуватели, повечето от които имат SCWT 5 – 10 микросекунди. Това време дава на системите възможност да реагират успешно на критични процеси, без да се стигне до повреда.
Третият ключов тест е стабилността на пада на напрежение в права посока на вградения SiC MOSFET диод. Този параметър може да варира чувствително при различните производители. Без правилен дизайн на елемента и избор на производствена технология и материали, проводимостта на този диод може да деградира по време на работа, което води до увеличаване на съпротивлението RdsON. Някои от съществуващите разлики са показани на фиг. 1. В изследване, направено от

Щатския университет в Охайо, са разгледани MOSFET транзистори от три различни производителя. При един от резултатите всички елементи от производител B показват деградиране на тока в права посока, докато такова не се наблюдава при MOSFET от производител C.
Следващата стъпка след установяване на надеждността на елементите е проучването на ”екосистемата” около тях, включваща разнообразието от продуктови опции, сигурността на системата за доставки и възможностите за техническа помощ при проектиране.

 

Доставки, техническа помощ и системен дизайн

Нараства броят SiC производители и доставчици, а различните компании предлагат различен набор от компоненти, като добавят натрупания опит и инфраструктура за техническа помощ, за да осигурят взискателните пазари като автомобилен, авиационен и отбранителен.
Силовите електронни системи постоянно търпят развитие и с всяка следваща генерация стават по-добри и по-ефективни. SiC приложенията естествено следват същия път. Ранните версии конструктивно обикновено използват наличните и стандартни дискретни силови елементи в стандартни корпуси – с изводи или такива за SMD монтаж. Когато броят на приложенията расте и дизайнерите се фокусират върху намаляването на размерите, теглото и цената, те обикновено избират интегрирани силови модули или коопериране с трети партньори. Тези партньорства обикновено включват дизайнерския екип на крайния продукт, производителя на модули и производителя на самия безкорпусен SiC чип. Всеки от тях е критичен за осъществяване на крайния резултат.

Проблемите с веригата за доставки са ключов и съществен фактор в бързорастящия SiC пазар. SiC пластините са най-скъпият материал в производствения процес на един SiC чип. В допълнение SiC производството изисква високотемпературно оборудване, каквото обикновено не се използва при производството на стандартни силициеви силови и стандартни дискретни елементи и ИС. Разработчиците трябва да бъдат сигурни, че SiC производителят разполага със стабилна верига за доставки, включваща няколко производствени локации в случай на природни бедствия или качествени/производствени проблеми. Немалко доставчици предлагат стари и неподходящи за нови дизайни (EOL/NRND) генерации от компоненти, което изисква от разработчиците да изразходват време и ресурси за редизайн на съществуващи продукти, вместо да развиват иновативни проекти, които могат да понижат крайната цена на изделието и да повишат приходите.

Техническата помощ също е от критична важност и включва симулационни инструменти и примерни проекти, които могат да помогнат за намаляване на времето за развой. Чрез новоразработени решения за контрол и управление на SiC елементите, развойните инженери днес могат да използват нови възможности като Augmented Switching (AS) на Microchip. Фиг. 2 показва SiC тестова платформа с цифров програмируем гейт драйвер, който допълнително ускорява времето до влизане в производство.


Нови възможности за оптимизация на процеса на проектиране

Опциите на цифровия програмируем гейт контрол дават възможност напълно да се използват предимствата на SiC чрез AS. Тези опции позволяват пълно и лесно конфигуриране на SiC MOSFET нивата и времената на включване и изключване. Така развойните инженери могат да оптимизират ефективността на системата, като в същото време намаляват времето и сложността, които обикновено са свързани с оптимизацията на гейт драйверите. Вместо да променят физически печатната платка и елементите, развойните инженери могат просто да променят софтуерната конфигурация, което от своя страна осигурява кратко време за развой, увеличена ефективност и защита от грешки.

Специалистите, които използват в проектите си SiC прибори, вече осъзнават предимствата им в автомобилния, индустриалния, авиационния и отбранителния сектор, както и възможностите за разпространението на тези елементи в много други приложения. Успехът ще продължи да се основава на възможността да се валидират надеждността и устойчивостта на SiC елементите и модулите. Когато развойните инженери избират доставчици за всички компоненти в системата, те ще се нуждаят от добре развит набор от продукти и опции, които се поддържат от завършена и надеждна глобална верига за доставки и всички необходими развойни средства. Те ще имат нужда и от нови възможности за софтуерна оптимизация на дизайна, която ще е възможна чрез тестови платформи с цифров програмируем гейт контрол и съответния софтуер.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top