Компоненты Apex Microtechnology на основе карбида кремния

Компоненты Apex Microtechnology на основе карбида кремния.

При проектировании и изготовлении современных компонентов силовой электроники особое внимание уделяется повышению энергоэффективности и одновременному снижению их стоимости и массогабаритных показателей. Одним из возможных способов улучшения этих характеристик является применение полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны, в частности карбида кремния (SiC). В прошлом году компания Apex Microtechnology начала серийный выпуск первых карбид-кремниевых изделий собственного производства. В краткой обзорной статье рассматриваются отличительные особенности и варианты использования высокоинтегрированных драйверов со встроенными силовыми SiC MOSFET.

            Введение.

Apex Microtechnology – известный разработчик и поставщик высокоэффективных электронных компонентов, предназначенных для применения как в промышленном оборудовании различного назначения, так и в аппаратуре повышенной надежности, эксплуатируемой в жестких условиях окружающей среды. На протяжении всей своей многолетней истории компания специализируется на проектировании мощных операционных (линейных) и импульсных (ШИМ) усилителей, составляющих в настоящее время основу каталога продукции [1].

Мощные операционные усилители Apex Microtechnology представляют собой уникальные по своим энергетическим параметрам полнофункциональные устройства, сочетающие в себе высокие уровни питающих напряжений, точность и максимальное быстродействие наряду с малыми токами покоя и отличной линейностью. К примеру, рекордными показателями обладают: ОУ PA99 с максимальным выходным напряжением 2400 В (п-п), усилители PA50 и PA52 с выходным током до 40 А или быстродействующий PA107DP со скоростью нарастания выходного напряжения 3000 В/мкс [2]. Импульсные усилители Apex Microtechnology рекомендованы для использования в робототехнике, различных источниках питания, драйверах исполнительных механизмов, электродвигателей и т.д. Устройства данного типа объединяют в одном корпусе узлы, необходимые для управления мощными выходными каскадами, работающими в ключевом режиме, при помощи входной или внутренне сгенерированной ШИМ последовательности. В зависимости от модели встроенные выходные транзисторы включены по мостовой или полумостовой топологии. КПД данных устройств превышает 95%, поэтому они менее требовательны к системе охлаждения.

Гибридное и монолитное исполнение предлагаемых приборов гарантирует высокую надежность по сравнению с традиционными устройствами на дискретных элементах, что позволяет значительно снизить количество элементов в схеме, и тем самым сократить время, затрачиваемое на разработку и тестирование. Характерными особенностями всей продукции являются низкая стоимость мощности, доступность средств отладки и технической поддержки, малый вес и габариты. Инженерная группа компании постоянно занимается улучшением ключевых характеристик выпускаемых изделий, одним из результатов работы стало появление в линейке устройств, изготовленных с применением SiC технологии. 

            Конкурентные преимущества SiC технологии.

Широкозонные полупроводниковые материалы (карбид кремния, нитрид галлия, нитрид алюминия и др.) характеризуются большой шириной запрещенной зоны, высокими значениями подвижности носителей заряда и скоростей их насыщения, увеличенными коэффициентами теплопроводности и т.д. Одним из наиболее перспективных и распространенных материалов на данный момент является карбид кремния, широко применяемый при производстве силовых транзисторов.

 Отметим ряд ключевых преимуществ использования SiC технологии:

• Напряженность электрического поля пробоя карбида кремния более чем на порядок превышает соответствующий показатель у Si и GaAs, что приводит к значительному снижению R_DS(ON) (сопротивления канала сток-исток в открытом состоянии).
• Большая ширина запрещенной зоны (3,2 эВ) способствует уменьшению величины тока утечки (менее 70 мкА при температуре кристалла +200 °C).
• Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с кремнием почти в два раза). Это позволяет повысить максимальную величину рассеиваемой мощности и упростить схемы отвода тепла.
• Малое сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой допустимой плотностью тока (вплоть до 5000 А/см²) помогает добиться уменьшения габаритов разрабатываемых силовых приборов при сопоставимых с кремниевыми приборами значениями выходных токов.
• Высокая предельная скорость носителей заряда в материале позволяет повысить частотный потенциал SiC устройств и соответственно снизить габариты внешних пассивных компонентов.
• Отличная температурная стабильность характеристик обеспечивает высокую долговременную надежность изделий и делает карбид кремния практически незаменимым материалом для разработки полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации, в том числе и при повышенных температурах (рис. 1).

            Рис. 1 – Зависимость R_DS(on) от рабочей температуры для Si и SiC транзисторов. 

В итоге электронные компоненты, созданные на основе карбида кремния, обладают улучшенными рабочими характеристиками, в частности повышенными значениями предельных коммутируемых токов и напряжений, меньшими статическими и динамическими потерями (рис. 2). Они позволяют радикально уменьшить габариты и массу преобразовательного оборудования, увеличить надежность работы за счет более высоких частот преобразования, более высокой температуры перехода и упрощенной системы охлаждения [3].

Рис. 2 – Типовые осциллограммы переключения Si (а) и SiC (б) МОП транзисторов.

SiC устройства востребованы в нефтедобывающем оборудовании, энергетике, автомобильной электронике, аэрокосмической технике и используются в корректорах коэффициента мощности, импульсных источниках питания, преобразователях для солнечных батарей, промышленных электроприводах и высоковольтных умножителях напряжения.

Отличительные характеристики ИС SA110.

Согласно внутренней классификации новинки Apex Microtechnology условно относятся к мощным импульсным усилителям (рис. 3).

Рис. 3 – Номенклатура импульсных усилителей Apex Microtechnology.

ИС SA110 представляет собой объединенные в одном корпусе и оптимизированные для совместной работы драйвер затворов и высоковольтные МОП транзисторы N типа, изготовленные из карбида кремния и применяемые в качестве верхнего и нижнего ключей полумостового каскада. Использование данного подхода устраняет необходимость подключения дополнительных цепей при построении источников питания постоянного тока и позволяет минимизировать величину паразитных индуктивностей и ёмкостей, а также габариты готового устройства. На рис. 4а показана внутренняя структура ИС SA110.
Рис. 4 – Внутренняя структура (а) и внешний вид (б) ИС SA110.

Встроенные транзисторы характеризуются чрезвычайно низким сопротивлением открытого канала, не превышающим 30 мОм при комнатной температуре и 40 мОм при максимальной температуре эксплуатации. Типовое значение рабочей частоты коммутации составляет 250 кГц, хорошие динамические характеристики обеспечиваются малым временем включения/выключения транзисторов (45 и 30 нс соответственно). Допустимая рассеиваемая мощность каждого из транзисторов – 75 Вт. Непрерывный выходной ток SA110 достигает величины 20 А, а его пиковое значение не превышает 40 А. Модификация SA110A обладает повышенным до 28 А током стока.

Блок драйвера обеспечивает активное подавление эффекта Миллера. Из защитных функций можно отметить наличие встроенной схемы блокировки при пониженном напряжении на шинах V_CC,HS и V_CC,LS (не показана на рис. 4а). Она срабатывает при напряжении питания ниже 9 В, переход в нормальный режим работы производится при возврате к уровню 10 В. Во время пуска устройства схема UVLO гарантирует, что выходные транзисторы будут выключены при любом входном сигнале, пока контролируемое напряжение не превысит заданный порог.

Конструктивно ИС SA110 выпускается в герметичном компактном 12-контактном корпусе форм-фактора PowerSIP, для заказа доступны две его модификации. Стандартная версия “DP” предназначена для вертикального монтажа (рис. 4б), а альтернативный вариант “EE” для монтажа компонента под углом 90°. Корпус снабжен дополнительной теплоотводящей площадкой, соединенной непосредственно с кристаллом, что позволяет улучшить теплоотвод. Тепловое сопротивление корпус-кристалл составляет всего 1,1 °С/Вт. При необходимости можно воспользоваться стандартными радиаторами, рекомендованными производителем для данной модели, например HS20 или HS27.

На рис. 5 изображены временные диаграммы и таблица истинности, определяющая логику работы драйверов. Входные ШИМ сигналы IN_HS и IN_LS поступают от микроконтроллера или DSP, логической единице соответствует уровень напряжения от 2 В до +V_CC, логическому нулю – менее 1,1 В относительно DGND. Для защиты от сквозных токов при одинаковом состоянии входов выход принудительно переводится в высокоимпедансное состояние. Работа драйвера разрешается при наличии потенциала высокого уровня на входе EN, в противном случае на выходе также устанавливается высокоимпедансное состояние.

            Рис. 5 – Временные диаграммы и таблица истинности ИС SA110.

Корректно работающий при температурах от -40 до +125 °С драйвер SA110 подходит для применения в импульсных источниках питания постоянного тока, интеллектуальных силовых модулях, инверторах, гидролокаторах, для управления электродвигателями и электроприводами и т.д. Один из вариантов его использования представлен на рис. 6.     

            Рис. 6 – Использование ИС SA110 для управления бесщеточным электродвигателем постоянного тока.

Питание силовых элементов осуществляется при помощи источника с амплитудным значением выходного напряжения до 400 В. Его подключение производится к выводам +V_S и -V_S в случае двухполярного источника питания или между +V_S и PGND при однополярном. Максимальное значение напряжения шины +V_CC, используемой для запитывания входных цепей и драйвера верхнего и нижнего плечей, не должно превышать 22 В. Дополнительный бутстрепный источник питания, требуемый для верхнего плеча, образуется при помощи конденсатора C_HS и внешнего диода VD1.

При использовании двухполярного питания входные сигналы должны быть сдвинуты по уровню относительно линии -V_S. В то же время может потребоваться гальваническая развязка входа от выхода. Для данных целей подойдет, например, четырехканальная ИС ADuM5410 производства компании Analog Devices.

Отличительные особенности ИС SA310.

ИС SA310 – трехфазный драйвер с тремя интегрированными полумостами, выполненными на основе карбид кремниевых полевых транзисторов с каналом N типа (рис. 7). Позиционируется, прежде всего, для использования в быстродействующих силовых устройствах с повышенными значениями рабочих напряжений и токов. К основным применениям относятся мощные инверторы, блоки управления бесщеточными двигателями постоянного тока или синхронными двигателями с постоянными магнитами (PMSM), испытательная аппаратура, магниторезонансные томографы и т.д.     

            Рис. 7 – Упрощенная внутренняя структура ИС SA310.

Каждый из трех полумостовых каскадов может обеспечивать выходной ток до 80 А (в импульсе) при рабочих напряжениях 600 В, при этом суммарная пиковая мощность микросхемы достигает 144 кВт. Максимально возможная величина непрерывного тока не превышает 30 А. МОП транзисторы, входящие в состав SA310, также отличаются низким сопротивлением R_DS(ON) (до 40 мОм при токе нагрузки 27 А и максимальной температуре эксплуатации +125 °C). Превосходные динамические характеристики определяются временем включения/выключения 45/30 нс (рис. 8). Рекомендованная частота коммутации транзисторов составляет 400 кГц. Встроенные диоды, рассчитанные на прямое напряжение 1,35 В, имеют время обратного восстановления не более 19 нс.           

            Рис. 8 – Осциллограммы переключения транзисторов в составе ИС SA310.

Питание драйверов и цепей входной логики осуществляется от одного источника с диапазоном рабочих напряжений от 14 до 20 В, общий ток собственного потребления трех каналов в режиме ожидания не превышает 14 мА. Подача питания на SA310 выполняется в определенном порядке: сначала на V_CC, затем на силовую шину +V_S, отключение микросхемы необходимо производить в обратном порядке.

Для уменьшения уровня коммутационных помех и повышения надежности функционирования драйвер снабжен функцией подавления эффекта Миллера. Из защитных функций доступна только схема блокировки при пониженном входном напряжении, работающая аналогично ИС SA110. Для предотвращения сквозных токов в драйверах необходимо гарантированное закрытие одного силового ключа до момента начала открытия ключа в противоположном плече. Минимальное рекомендованное значение фиксированной паузы (”мертвого времени”) – 60 нс.

При производстве SA310 используется герметичный сварной корпус типа PowerDIP с двухрядным расположением выводов, внешними габаритами 58,7×40,0 мм и высотой 6,8 мм (без учета контактов). В качестве материала финишного покрытия применяется никель. Внешний вид корпуса показан на рис. 9. Напряжение гальванической изоляции любого вывода от корпуса составляет не менее 1000 В постоянного тока.

            Рис. 9 – Корпусное исполнение ИС SA310.

На рис. 10 приведена типовая схема подключения ИС SA310. Шесть входов управления, совместимых, в том числе, с КМОП и ТТЛ логикой, позволяют реализовать управление драйвером напрямую от микроконтроллера. Согласно руководству по применению входные линии защищены диодами 1N4148 и последовательно включенными резисторами с номиналом 200 Ом. Величина блокировочного конденсатора C* цепи питания V_S зависит от выходного тока и выбирается из расчета примерно 10 мкФ на каждый А выходного тока.           

            Рис. 10 – Типовая схема применения ИС SA310.

Техническая поддержка разработки.

Для облегчения проектирования и ускорения вывода готового изделия на рынок компания Apex Microtechnology предоставляет отличную техническую поддержку. Вся информация доступна для ознакомления на официальном сайте компании. Помимо полной технической документации для разработчиков предлагаются руководства по выбору и применению, SPICE-модели компонентов для схемотехнического моделирования, демонстрационные платы для оценки возможностей устройств, технические статьи и материалы семинаров, а также программа расчетов параметров принципиальных схем и радиаторов.

Утилита Apex Power Design помогает автоматизировать множество вычислений, встречающихся при проектировании схем на основе изделий Apex Microtechnology. Данное средство разработки имеет несколько отдельных модулей, решающих различные задачи (рис. 11). Например, в самом простом случае можно воспользоваться таблицей выбора подходящей модели исходя из максимального выходного тока, пикового напряжения и рабочей частоты. Кроме того, существует возможность сквозного пошагового выполнения проекта, начиная от расчета параметров выходного фильтра и построения его частотной характеристики и заканчивая получением готовой схемы на основе выбранной топологии с указанием номиналов внешних компонентов и требований к теплоотводу.    

Рис. 11 – Главное окно программы Apex Power Design.

Заключение.

Применение новых широкозонных полупроводников – очевидный путь улучшения ключевых показателей устройств силовой электроники. Новинки компании Apex Microtechnology, выпускаемые с применением SiC технологии, обладают высокой плотностью мощности, температурной стабильностью параметров и отличными динамическими характеристиками. Их применение позволяет повысить производительность и надежность эксплуатации разрабатываемого оборудования с одновременным уменьшением его массогабаритных показателей. Устройства Apex Microtechnology, спроектированные как для коммерческого, так и для высоконадежного применения, рекомендованы для использования в мощных инверторах, импульсных источниках питания, тестовом оборудовании, драйверах электродвигателей и электроприводов, медицинских приборах и т.д.

Список используемой литературы.

• Официальный сайт компании Apex Microtechnology. // www.apexanalog.com.
• Precision power analog. // Product selection guide. 2020 // https://www.apexanalog.com/resources/productbulletins/Product-Selection-Guide.pdf
• Kirby Gaulin. Overcoming design-in challenges of SiC devices yields impressive power amplifier results. // White paper. June, 2019. // https://www.apexanalog.com/resources/whitepapers/siliconcarbide.pdf