مزايا تحويل الطاقة لـ SiC SBDs: الجزء 1

تُحدث أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) ثورة في صناعة محولات الطاقة نظرًا لمزاياها العديدة ، مثل تحسين الكفاءة وكثافة الطاقة عند الفولتية العالية مع متطلبات تبريد أقل وإمكانية زيادة ترددات التحويل. بينما كان التركيز على جهاز MOSFET ، يمكن أن يؤدي الصمام الثنائي الحاجز SiC Schottky (SBD) دورًا مهمًا في تحويل الطاقة ويحقق العديد من المزايا عند استخدامه مع جهاز MOSFET. تقدم المقالة نظرة عامة على وحدات SBDs SiC في تطبيقات تحويل الطاقة.

الثنائيات الحرة في تحويل الطاقة

ضع في اعتبارك حالة ساق العاكس IGBT التي تقود حملاً استقرائيًا مثل المحرك ، كما هو موضح في الشكل 1. عند إيقاف تشغيل الجهاز T2 ، يقوم الصمام الثنائي المطلق الموجود عبر T1 بتوصيل تيار الحمل الاستقرائي ، مما يقلل من ارتفاعات الجهد عند الخرج ويضمن توصيل طاقة أكثر سلاسة. تلعب الثنائيات دورًا أساسيًا ، وتؤثر خصائصها على الكفاءة العامة والمتانة لوحدة تحويل الطاقة.

خسارة الاسترداد العكسي

ضع في اعتبارك الحالة في الشكل 1 بعد إيقاف تشغيل T1 و T2 ويتدفق التيار من الحمل الاستقرائي عبر الصمام الثنائي الحر ذي الجانب العالي (الخطوة 2). بمجرد إعادة تشغيل T2 (الخطوة 3) ، لا يذهب التيار في الصمام الثنائي إلى الصفر فحسب ، بل يتحول إلى سالب. مصدر ما يسمى بتيار الاسترداد العكسي (Irr) هو شحنة حامل الأقلية (Qrr) التي تم إنشاؤها في الصمام الثنائي أثناء الخطوة 2 ، والتي تحتاج الآن إلى تفريغها. يعتمد مقدار Qrr ومدة فترة الاسترداد (trr) على عدة عوامل ، بما في ذلك انحدار انتقالات التبديل (يشير ارتفاع di / dt إلى زيادة Qrr) ، وحجم تيار الحمل (يشير أعلى I إلى Qrr أعلى) ، عمر حامل الأقلية للديود (العمر الأصغر يعني انخفاض trr) ، إلخ.

يؤدي Qrr إلى تبديل الخسائر في الصمام الثنائي (إيقاف تشغيل الخسارة EOFF) والمفتاح التكميلي عند تشغيله (قم بتشغيل E_على، الخطوة 3 أعلاه). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يتسبب دي / دي تي الاسترداد العكسي في تجاوز الجهد بسبب الحث الشارد.

أنواع الثنائيات

الأنواع الثلاثة الأساسية من الثنائيات موضحة في الشكل 2. هذا الرقم مأخوذ من Semikron Danfoss ، الشركة المصنعة لوحدات وأنظمة إلكترونيات الطاقة. كانت ثنائيات PN المصنوعة من السيليكون ، والتي تشكلت عن طريق تقاطع P و N doped Si ، هي الخيار الأساسي المتاح لتطبيقات الجهد العالي قبل تطوير SiC SBDs. تعتمد هذه الثنائيات على حقن ناقل الأقلية في الحالة الأمامية ، ويتم تشكيل حاجز نضوب في منطقة منخفضة المنشطات تحت الجهد العكسي ، مما يحدد تصنيف الجهد للجهاز. التقييمات التي تصل إلى 10 كيلو فولت متوفرة في الثنائيات HV PN. تم استخدام عدة طرق لتحسين خصائص الاسترداد العكسي لثنائيات PN التي تمت مناقشتها أعلاه. يتضمن بعضها تقليل عمر الناقل من خلال الإشعاع أو زرع عناصر مثل البلاتين. يمثل الصمام الثنائي CAL (العمر المحوري المتحكم به) الموضح في الشكل 2 إصدار Semikron Danfoss.

الصمام الثنائي شوتكي الحاجز (SBD) هو جهاز أحادي القطب ، يتشكل عادةً من خلال معدن حاجز مثل التيتانيوم فوق سطح مخدر قليلاً (n-) ، والذي يشكل الأنود. تقع هذه الطبقة n فوق طبقة سفلية مخدرة بدرجة عالية من n + ، حيث يمكن تكوين اتصال كاثود أوم. نظرًا لغياب توصيل الناقل الأقلية ، فإن SBDs لها خسارة استرداد عكسية صفرية وتظهر فقط خسارة إيقاف تشغيل سعوية أصغر بكثير. قبل تطوير تقنية SiC ، كانت وحدات SBD ، المصنوعة من Si ، تقتصر عادةً على معدلات الجهد المنخفض. تتوفر الآن SiC SBDs تجارياً بتصنيفات 3.3 كيلو فولت.

الصمام الثنائي للجسم MOSFET ، الذي يتكون من ملامسة الجسم p + و n (استنزاف) الجهاز ، يعمل بشكل أساسي مثل أي صمام ثنائي PN آخر. يتمثل الاختلاف الرئيسي الوحيد في أن البوابة تعدل جهد التشغيل للديود. عادةً ما يتم تشغيل الصمام الثنائي للجسم من SiC MOSFET عند الفولتية> 2V. ومع ذلك ، فإن جهد البوابة الموجب سيخفض هذا ويفيد بعض التطبيقات ، كما هو موضح لاحقًا.

إيجابيات وسلبيات SiC SBDs

دعونا ننظر في المزايا والتحديات في استخدام SBDs SiC.

مزايا SiC SBDs

• خسائر تبديل أقل: لا تحتوي وحدات SBD على خسارة استرداد عكسية كونها أحادية القطب. هذا يخفف عبء Irr على المفتاح التكميلي ، ويقلل E_على. علاوة على ذلك ، فإنها تتفاعل بشكل أسرع بكثير من ثنائيات Si ، مما يسمح بانتقالات تحويل أسرع ويقلل من E_عن. الأشكال 3 (أ) و 3 (ب) ، مأخوذة من [2]، أظهر مقارنة بين سلوك الإيقاف والتشغيل لـ Si IGBT مع Si PN أو SiC SBD المستخدم كعنصر حر. يعد التبديل باستخدام SiC SBD المضاد للتوازي عبر SiC MOSFET مفيدًا بشكل خاص عند استخدام مقاومة البوابة الصغيرة (Rg) لأداء التبديل السريع. تتحسن هذه الميزة في درجات الحرارة المرتفعة [1] بسبب زيادة خسائر الاسترداد العكسي في الصمام الثنائي للجسم.
• اضطراب أقل في التبديل: يمكن أن يحد تجاوز الجهد من التيارات العالية Irr (L x dIrr / dt) من سرعة التبديل. يعتبر SiC SBD المضاد للتوازي عبر SiC MOSFET مفيدًا بشكل خاص عند استخدام مقاومة البوابة الصغيرة Rg لأداء التبديل السريع.
• خلال الأوقات الميتة في المحول (على سبيل المثال ، إيقاف تشغيل T1 و T2 في الشكل 1) ، يمكن أن تلعب خسارة التوصيل عبر الصمام الثنائي الحر دورًا رئيسيًا. نظرًا لأن جهد تشغيل SBD أقل بكثير من ثنائيات الجسم الأخرى (تكون الفولتية في الركبة عادةً ~ 1 فولت لـ SiC SBD مقابل> 2V لصمام ثنائي الجسم) ، وهذا يسمح بمرونة أكبر في التحكم في البوابة. ستكون هناك حاجة إلى تحسين الوقت الميت للتحكم في هذه الخسائر إذا تم استخدام الصمام الثنائي للجسم وحده.
• الموثوقية عند الفولتية العالية: كان استقرار الصمام الثنائي للجسم SiC مجالًا رئيسيًا للتحسين من قبل الشركات المصنعة لأجهزة SiC. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي عيوب خلع المستوى الأساسي (BPD) في مناطق epi السميكة اللازمة لتشغيل HV إلى تكديس الأعطال تحت توصيل الصمام الثنائي للجسم. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تدهور أداء الصمام الثنائي بمرور الوقت. تعمل وحدات SBDs المضادة للتوازي على تحويل هذا التدفق الحالي وتقليل مخاطر الفشل المرتبط باضطراب الشخصية الحدية.
• تُظهر SiC SBDs معامل درجة حرارة موجبًا (PTC) أثناء التوصيل الأمامي ، والذي يمكن أن يكون مفيدًا في منع الهروب الحراري في دائرة متصلة متوازية. من ناحية أخرى ، تُظهر ثنائيات الجسم SiC MOSFET معامل درجة حرارة سالبًا.

تحديات SiC SBDs

• يؤدي استخدام SiC SBDs المضاد للتوازي إلى زيادة تكلفة الوحدة ، سواء من إضافة تكلفة القالب أو زيادة تكاليف التجميع. يمكن أن تؤدي مناهج دمج SBD داخل MOSFET إلى تحسين التكاليف ، مثل مشاركة مناطق الإنهاء داخل القالب.
• تقل مزايا SiC SBD كمكون حر في ظل ظروف Rg العالية ، المستخدمة لتقليل التجاوزات على حساب فقدان التبديل [1]. هذا صحيح أيضًا عند التشغيل عند حمل خفيف جدًا في درجة حرارة الغرفة بسبب الفقد السعوي الإضافي لـ SBD.
• يتسبب PTC لـ SiC SBDs في حدوث انخفاضات أعلى في الجهد الأمامي وزيادة المقاومة الأمامية عند درجات حرارة أعلى. يؤدي هذا إلى زيادة المشاركة الحالية بين SBD والصمام الثنائي للجسم ويمكن أن يؤدي إلى خسائر صافية أعلى. في بعض التطبيقات ، قد توفر مجموعة متوازية من SiC MOSFETs خيارًا أفضل من موازاة SiC SBD.
• يمكن أيضًا تقليل ميزة SiC SBD إذا كان من الممكن استخدام جهد بوابة موجب عبر SiC MOSFET خلال 3^{بحث وتطوير} العملية الرباعية ، كما هو موضح في الشكل 3 ، مأخوذة من [3].
• القدرة الحالية للتيار الكهربائي لمحركات SiC SBDs التقليدية أقل بكثير من ثنائيات Si PN. تؤدي المقاومة العالية للجهاز أحادي القطب إلى حدوث انخفاضات عالية في الجهد الأمامي أثناء موجات التيار العالية ، والتي يمكن أن تخلق أحداثًا حرارية كارثية.

الشكل 4: مثال على SiC SBD المضاد للتوازي مع SiC MOSFET ، منحنيات IV عند VGS> = 0 V. (أ) هو الصمام الثنائي للجسم SiC MOSFET وحده ، بينما (ب) مع SiC SBD بالتوازي مع MOSFET (المصدر: [3])

خاتمة

يمكن أن توفر SiC SBDs العديد من الفوائد في تطبيقات محول الطاقة. سيناقش الجزء 2 من هذه السلسلة التصاميم لتحسين أدائها ، بما في ذلك أثناء أحداث زيادة الطاقة. سنقوم أيضًا بتفصيل بعض الأمثلة على أداء المحول باستخدامها.

مراجع

[1] Martin ، وآخرون ، “مقارنة أداء التبديل بين 1200 فولت و 1700 فولت من SiC وحدات طاقة نصف جسر محسّنة مع ثنائيات Schottky المضادة للتوازي SiC مقابل ثنائيات الجسم الداخلية MOSFET ،” APEC 2017.
[2] ملاحظة تطبيق Infineon AN2019-02_CoolSiC_Automotive_Diode
[3] S. Bontemps ، وآخرون ، “تقييم الحاجة إلى SiC SBD بالتوازي مع SiC MOSFET في تكوين ساق طور الوحدة النمطية ،” PCIM Europe ، 2015.

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة / العمليات في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com