تتميز دوائر MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) بالعديد من المزايا التي تتفوق على السيليكون (Si) IGBTs في التطبيقات عالية الطاقة. يتضمن ذلك خسائر أقل في التوصيل والتبديل وتحسين الأداء في درجات الحرارة العالية. تتيح سرعات التحويل الأسرع كثافة طاقة محسّنة. في هذه المقالة ، سنسلط الضوء على بعض النصائح حول تعظيم أداء SiC MOSFET كما قدمها Yuequan Hu ، المدير الأول لتطبيقات طاقة السيارات ، Wolfspeed في مؤتمر APEC 20231.
تحديات في التبديل السريع لوحدات الترانزستورات الفلورية SiC MOSFET
يمكن أن تؤثر سعات الجهاز ، والتحريض الطفيلي ، والعناصر السعوية داخل مخطط الدائرة بشكل كبير على أداء التحويل. يوضح الشكل 1 أن التبديل العالي / dt يمكن أن ينتج رنينًا وتذبذبات في محرك البوابة من المحاثة الطفيلية في حلقة مصدر البوابة. يمكن أن يقترن هذا من خلال سعة استنزاف البوابة (Cgd) بجهاز خارج الحالة ويسبب تشغيلًا خاطئًا.
يمكن أن تؤدي هذه العابرين إلى تدهور أداء الجهاز وموثوقيته. على سبيل المثال ، ستؤدي التجاوزات المستمرة على البوابة والتي تتجاوز جهد البوابة المُقدر إلى إتلاف أكسيد البوابة وتحد من العمر التشغيلي للجهاز.
ستؤدي بوابة عابرة عالية في تشغيل FET إلى جعل FET ينتقل إلى التشبع بدلاً من المنطقة الخطية المفضلة ، مما يؤدي إلى خسارة أعلى ويؤثر على الموثوقية.
يمكن أن يؤدي إبطاء عابر التبديل ، على سبيل المثال ، عن طريق إضافة مقاومات بوابة أعلى أو تضمين سعة مصدر بوابة خارجية ، إلى تقليل مثل هذه التجاوزات ولكن مع فرض عقوبات على خسائر تحويل أعلى.
لذلك ، فإن الهدف هو تقليل هذه التأثيرات العابرة مع الحفاظ على كفاءة التبديل على أعلى مستوى ممكن. دعونا نلقي نظرة على بعض الطرق المحتملة لتحقيق ذلك.
بعض النصائح حول تعظيم أداء SiC MOSFET
استخدام اتصال مصدر كلفن
كما هو مبين في الشكل 2 ، تفصل إضافة اتصال كلفن المصدر بين طاقة المصدر وحلقات الإشارة ، مما يجعل انتقال التبديل سلسًا حتى مع الحث الطفيلي الخارجي Ls. يوصى باستخدام هذه الأجهزة ذات الأربعة اتجاهات للتطبيقات عالية الطاقة.
استخدام مقاومات البوابة المنقسمة
يمكن لمقاومات البوابة المنقسمة بشكل أساسي إنشاء شبكة RLC تخمد اهتزازات البوابة. المقاوم للبوابة صجي ينقسم بين واحد قبل وآخر بعد C خارجي مضافع مكثف ، كما هو مبين في الشكل 3. الجهد الخامسAB عبر هذا C الخارجيةع ذات قمم / وديان عابرة أصغر أثناء عملية التشغيل والإيقاف. هذا يؤدي إلى سلاسة Vع إشارات على بوابة الجهاز ، حتى في وجود محاث مصدر خارجي في جهاز ثلاثي الرصاص.
موازنة الحثيات الطفيلية في الأجهزة المتوازية المتصلة
يعتبر موازاة SiC MOSFETs طريقة مهمة لزيادة تيار القيادة الكلي. مطابقة معلمات MOSFET الجوهرية مثل عتبة الجهد Vذ مهم في تحقيق المشاركة الحالية المتوازنة. لا تقل أهمية عن موازنة المسارات الطفيلية في تخطيط اللوحة. يوضح الشكل 4 تأثيرات عدم التطابق في محاثة المصدر مما يؤدي إلى عدم توازن كبير في تيارات التصريف في 2 MOSFETs. يمكن أن يؤدي التصميم المتماثل إلى تحسين مشاركة الحمل ومنطقة التشغيل الآمنة الشاملة للوحدة (SOA).
موازنة سعة الإدخال في الأجهزة المتصلة بشكل متوازي
على غرار حالة الحث أعلاه ، سيؤدي عدم التطابق في سعة الإدخال إلى تأخير انتقال التبديل لجهاز واحد بالنسبة للآخر ، مما يخلق تيارات عابرة غير متوازنة وربما تتجاوز تصنيفات أحد الأجهزة. يوضح الشكل 5 (أ) هذا التأثير. يمكن أن يؤدي استخدام المقاوم بوابة الانقسام إلى تقليل تأثير عدم التطابق ، كما هو موضح في الشكل 5 (ب).
يمكن أيضًا مراعاة العديد من العوامل الأخرى لزيادة أداء SiC MOSFET:
- يُنشئ مشبك ميلر النشط ، كما هو موضح على الجانب المنخفض FET في الشكل 1 ، مسار مقاومة منخفض لارتفاع جهد البوابة العالية من اقتران عابر dv / dt عبر سعة ميلر Cجي دي. يمكن أن تكون هذه المشابك مفيدة بشكل خاص عندما يعمل الجهاز في درجات حرارة عالية (بسبب معامل درجة الحرارة السالب لـ V.ذ) وبدون محرك بوابة سالب عند الإيقاف. كما أنها تساعد في جعل حرف RG-OFF اختيار مقاومة البوابة عند فقدان التبديل Eعن اعتبارات بدلا من التذبذبات التي يسببها ميلر.
- وضع سائق البوابة في أقرب مكان ممكن من MOSFET.
- حافظ على آثار إشارة الطاقة والبوابة بعيدة عن بعضها البعض قدر الإمكان
- استخدم خرز الفريت2 في مسار بوابة الإدخال. تساعد خرزات الفريت ، مثل تلك المصنوعة من NiZn ، على تبديد الترددات في نطاق الضوضاء ، والتي يمكن أن تكون على سبيل المثال في نطاق 50-200 ميجاهرتز ، دون التأثير سلبًا على أداء التحويل بسبب انخفاض ممانعتها عند تبديل الترددات.
- يؤدي استخدام الانحياز السلبي للبوابة لإيقاف التشغيل إلى زيادة التكلفة والتعقيد ، ولكنه يجعل الإغلاق أكثر قوة للتبديل العابر الذي يتسبب في رنين البوابة.
- يجب أن تستخدم الأجهزة عبر الفتحة أقل عدد ممكن من الخيوط وتقنيات التخطيط الأخرى لتقليل محاثة حلقة البوابة.
- استخدام أجهزة ذات درجة حرارة أقلجي دي/ جع ستقلل النسب من تأثير ملاحظات ميلر.
خاتمة
يعد تبديل قضبان الطاقة عالية الجهد فوق 1000 فولت عند ترددات في مئات كيلو هرتز عملية معقدة تحتاج إلى تحسين جهاز الطاقة وتخطيط اللوحة وسائق البوابة والمكونات الخارجية السلبية. في هذه المقالة ، قمنا بتسليط الضوء على بعض التقنيات التي يمكن أن تحسن بشكل كبير تبديل الجهاز الفردي والمتوازي.
مراجع
1 Yuequan Hu ، “تعظيم أداء دوائر MOSFET من كربيد السيليكون للتحويلات عالية الطاقة ،” APEC 2023.
2 دانيال نوروود ، “استخدام وفوائد حبات الفريت في دوائر محرك البوابة ،” موجز تطبيق TI.
