بالمقارنة مع أجهزة السيليكون التقليدية ، تتمتع الدوائر MOSFET ذات طاقة كربيد السيليكون بمزايا مقاومة أقل على الحالة (RDS (تشغيل)) لتصنيف جهد معين ، خسائر تحويل أقل من سرعات تحويل أسرع بكثير والقدرة على العمل في درجات حرارة تقاطع أعلى. التصنيف الحالي للـ SiC MOSFETs أحادي القالب يقتصر على حوالي 200 ألف ؛ وبالتالي ، بالنسبة للتطبيقات ذات التيار العالي ، يمكن موازاة القالب المنفصل معًا. إن موازاة وحدات الطاقة عند مستويات تيار أعلى هو نهج عملي أكثر ، حيث تم تحسين كل وحدة لتأثير الحث والسعات الطفيلية ويمكن أن تحقق قابلية تكرار أفضل.
توجد العديد من التحديات في النهج الأمثل لإنشاء هياكل وحدات متوازية باستخدام أجهزة SiC. نظرًا لقدرتها على التبديل السريع ، تعد تخطيطات الوحدة وبرامج تشغيل البوابة ذات أهمية قصوى لتقليل الطفيليات وضمان المشاركة الحالية الموحدة بين الوحدات. من حيث مشاركة التيار الثابت ، فإن الجهاز RDS (تشغيل) ومقاومات اتصال الوحدة النمطية تلعب دورًا رئيسيًا في المشاركة الحالية. معامل درجة الحرارة الموجب لـ RDS (تشغيل) في SiC MOSFETs تحت محرك بوابة قوي يجعل الموازاة أسهل ، حيث ستعيد التيارات التوازن ، مع قيام الجهاز بإجراء المزيد من التسخين الحالي ، وبالتالي زيادة RDS (تشغيل) مقارنة بجهاز المبرد. هذا يمكن أن يتجنب الهروب الحراري. من ناحية أخرى ، فإن معامل درجة الحرارة السالب لجهد العتبة (Vذ) يتسبب في تشغيل الجهاز ذي أعلى درجة حرارة للتقاطع مبكرًا ، مما يؤدي إلى خسائر تحويل أعلى. يسلط هذا المقال الضوء على عرض تقديمي قدمته أنتونيا لانزافام ، مهندسة التطبيقات في شركة STMicroelectronics ، في مؤتمر APEC 2023 في مارس ، والذي يركز بشكل خاص على أهمية موازنة V.ذ لتحسين أداء التحويل لوحدات الطاقة SiC MOSFET.
المفاضلات في اختيار المقاوم البوابة
اختيار المقاوم المناسب للبوابة (Rز) لكل من حالات التشغيل والإيقاف (Rز (على) و رز (متوقف)) جزء أساسي من تحسين الوحدة:
- أ أقل Rز سيخلق انتقالات تحويل أسرع وبالتالي يقلل من فقد التحويل.
- أعلى Rز سيحد من تذبذبات dV / dt و di / dt أثناء الإيقاف والتشغيل ، مما يساعد على تقليل ضغط أكسيد البوابة على الجهاز من مثل هذه التجاوزات. كما أنه يجعل التحكم الطفيلي على مستوى الوحدة أكثر تسامحًا ويساعد على تجنب التشغيل غير المقصود أو إيقاف تشغيل الجهاز من الرنين الناجم عن إشارة محرك البوابة.
وحدة ذات حرف V أعلىذ سوف تحتاج إلى R أقلز (على) للحصول على نفس di (on) / dt وفقدان الطاقة مقارنة بواحد مع V أعلىذ. وبالتالي ، بالنسبة للوحدات مع توزيع مختلف V.ذ قيم محددة Rز يجب اختيار القيم للتعويض عن هذا التأثير.
يظهر تأثير هذا في الشكل 1. وتظهر مقارنة فقدان التبديل بين وحدتين لهما فرق 500 مللي فولت في Vذ من مفتاح HS ولكن استخدم نفس Rز (على). كما هو مبين ، فإن الوحدة ذات V الأعلىذ يتحول في وقت لاحق ولديه انخفاض di (on) / dt. ومن ثم فإنه يعرض خسارة تبديل تشغيل أعلى (E.على).
التشغيل المتوازي لوحدات طاقة SiC: V.ذ وحدات HB غير متطابقة
لدراسة تأثير V.ذ عدم التطابق في وحدات نصف الجسر المتوازي (HB) ، تم استخدام الدائرة الموضحة في الشكل 2. تم استخدام تخطيط متماثل لوصلة DC ووصلة التحميل. تم استخدام برامج تشغيل بوابة منفصلة متطابقة لكل وحدة ، وتم ضبط إشارات الإدخال من برامج تشغيل البوابة لضمان التشغيل المتزامن وإيقاف التشغيل لمفتاح HS في وحدات HB. كان تصميم الوحدة يهدف أيضًا إلى تقليل العناصر الطفيلية في حلقة الطاقة وقضبان الناقل ووصلة التحميل.
في اختبارات الوحدة المتوازية هذه ، تم اختيار الأجهزة المستخدمة بحيث يكون لها حرف V.ذ إزاحة إما 500 مللي فولت أو 250 مللي فولت بين الوحدات. يوضح الشكل 3 حرف Eعن و هـعلى تبديل الخسائر لكل وحدة ، مع الوحدات التي لها نفس Rز (على) و رز (متوقف) القيم المدرجة في الشكل ، و V.ذ عدم تطابق 500 ميغا فولت بين الوحدات.
الوحدة ذات الجزء السفلي من Vذ يتم تشغيله من قبل ويتم إيقاف تشغيله لاحقًا عن الوحدة ذات V الأعلىذ، وبالتالي خلق عدم توازن كبير في المشاركة الحالية. هذا يؤدي إلى أعلى بكثير من Eعن و هـعلى تبديل الخسائر ل V السفليذ وحدة نمطية ، مع نسبة فرق نسبي في الخسائر التي يمكن أن تكون أكبر من 4 ، كما هو موضح في الجدول في الشكل 3.
لمقارنة هذه النتائج أعلاه ، وحدات متوازية مع نسبي V.ذ كما تمت دراسة عدم تطابق 250 ميغا فولت. كما هو مبين في الشكل 4 ، تم تحسين النتائج بشكل كبير مقارنة بالوحدات ذات 500 ملي فولت فولتذ عوض. سمحت المشاركة الحالية المحسّنة بتخفيض Rز القيم المستخدمة مع استمرار تلبية مواصفات الجهد القصوى للجهاز الناتجة عن التجاوزات.
تأثير Vذ لوحظ عدم التطابق في منطقة التشغيل الآمنة (SOA) للحد من الوحدات. يؤدي عدم التطابق الأعلى إلى حدوث اختلالات تيار أعلى وضغط حراري أكبر على مجموعة الوحدة النمطية المتوازية ككل. على العكس من ذلك ، فإن الحد من التجاوزات من عدم التطابق يمكن أن يجبر استخدام مقاومات بوابة أعلى وبالتالي يحد من تردد التبديل. كما يتم رفع تردد التبديل و R.ز انخفاض القيم ، حتى الاختلافات الصغيرة في V.ذ يمكن أن يسبب انخفاض الخامسذ وحدة للتبديل عند di / dt أعلى ، مما قد يؤدي إلى تجاوزات الجهد التي تتجاوز تصنيفات الجهاز. يوضح الشكل 5 SOA لوحدات HB المتوازية مع V مختلفةذ عدم التطابق. خفض Vذ عدم التطابق من 500 مللي فولت إلى 250 مللي فولت يساعد على تحسين القدرة الحالية بين 16٪ و 31٪ ، اعتمادًا على التردد.
يحتاج الاتصال المتوازي لقوالب ووحدات SiC MOSFET إلى دراسة متأنية لمقاومات البوابة المستخدمة والحد الأقصى المسموح به Vذ عدم التطابق الذي يمكن تحمله مع مواصفات الوحدة الإجمالية.
