Требования к вспомогательным источникам питания для драйверов затворов SiC/GaN приборов

Радиолоцман №3-4/2024, ст.26

Введение

Мощные приборы на основе широкозон­ных полупроводников, такие как карбидок­ремниевые (SiC) MOSFET, пользуются все большей популярностью во многих совре­менных приложениях силовой электроники, таких как электрические транспортные сре­дства и возобновляемые источники энергии. Их чрезвычайно высокая скорость переклю­чения помогает повысить КПД и уменьшить общие размеры и стоимость системы. Одна­ко быстрое переключение в сочетании с высокими рабочими напряжениями и возрас­тающими частотами коммутации создает серьезные проблемы для систем управле­ния затворами. Надежная гальваническая развязка, соответствие стандартам безопас­ности, помехоустойчивость управляющих сигналов и электромагнитные излучения — вот лишь некоторые из наиболее важных аспектов, которые необходимо учитывать разработчику. Оптимальная конструкция изолированного вспомогательного источни­ка питания, обеспечивающего уровни напря­жения и тока, необходимые для управления SiC/GaN устройством, имеет решающее зна­чение для того, чтобы вся система драйвера затвора соответствовала многочисленным требованиям, предъявляемым современны­ми приложениями.

Обзор и требования к управлению затворами высоковольтных SiC/GaN полевых устройств

В приложениях, использующих высоково­льтные SiC/GaN полупроводниковые прибо­ры в режиме жесткого переключения, гальва­ническая изоляция является общим требова­нием, диктуемым соображениями безопас­ности и функциональности, и в зависимости от применения изоляция должна быть базо­вой или усиленной. Рабочее напряжение, материал изоляции, степень загрязнения и действующие нормативные стандарты уста­навливают минимальные длины путей утечки и зазоров, а также определяют требования к напряжению изоляции, влияющему на компо­ненты, расположенные по другую сторону изолирующего барьера. Быстродействующая микросхема изолированного драйвера затво­ра (например, TI UCC21520) и трансформа­тор в изолированном вспомогательном источнике питания (блок DC/DC на Рисунке 1) «соединяют» этот изолирующий барьер и поэтому должны отвечать строгим требова­ниям безопасности и функциональности.

Новейшим SiC MOSFET требуются напря­жения затвор-исток от +15 В до +20 В для полного включения и от 0 В до -5 В для над­ежного выключения. Для затвора нитрид- галлиевого полевого транзистора (650- вольтового) обычно достаточно только +5 В и 0 В. В некоторых случаях для выключения GaN полевого транзистора также использует­ся небольшое отрицательное напряжение. Обратите внимание, что эти значения варьи­руются в зависимости от производителя. На Рисунке 1 показана полумостовая конфигу­рация, и в инверторной схеме для управле­ния двигателями переменного тока киловат­тной мощности обычно требуется несколько таких каскадов. Для каждого SiC/GaN поле­вого транзистора нужен независимый каскад драйвера затвора с собственным изолиро­ванным вспомогательным источником пита­ния. Это не только позволяет индивидуально управлять каждым SiC/GaN прибором, но и помогает сохранить петлю тока, управляю­щего затвором, небольшой и локализован­ной к устройству, сводя к минимуму негатив­ное влияние паразитной индуктивности петли и дрожания потенциала земли, обусловленные очень высоким значением AI/At во время переключений транзистора (Рисунки 2 и 3).

Если пренебречь этим, это может привес­ти к неконтролируемому включению/выклю- чению MOSFET и тепловым проблемам. Некоторые SiC MOSFET имеют исток с дополнительным низкоимпедансным выво­дом Кельвина для пути возврата тока затвора (Рисунок 4).

Этот вывод не пропускает больших комму­тируемых токов и, следовательно, благодаря меньшей паразитной индуктивности имеет меньший потенциал помех, чем вывод исто­ка, что значительно улучшает управление затвором (например, транзистора Infineon IMZ120R045M1 1200В/52 А).

Что касается вспомогательного источника питания, его выходные конденсаторы (с мини­мальными значениями ESL и ESR) должны размещаться очень близко к микросхеме драйвера затвора и SiC/GaN устройству, чтобы минимизировать токовую петлю в цепи затвора и, следовательно, ее паразитную индуктивность для уменьшения сопутствую­щих паразитных эффектов (т. е. звона).

Требования к изолированному источнику питания драйвера затвора для SiC MOSFET

В настоящее время на рынке имеется боль­шой выбор компактных изолированных DC/DC преобразователей мощностью 1 — 2 Вт. Для такого SiC MOSFET, как Infineon IMZ120R045M1 1200 В/52 А, оценка требуе­мой мощности дает менее 1 Вт на устройство (см. пример расчета #1). Однако для приложе­ния с мощностью нагрузки более 5 кВт потре­буется либо модуль на основе SiC MOSFET (например, ROHM BSM600D12P3G001 1200 В/ 600 А), либо несколько параллельно включен­ных дискретных SiC MOSFET (с распределе­нием тока). В модульном решении несколько полупроводниковых кристаллов соединяются параллельно, образуя законченный SiC MOSFET. Этот метод снижает эффективное сопротивление открытого канала, но приводит к увеличению «общего заряда затвора», тре­буя большей мощности для питания драйвера от вспомогательного источника (пример рас­чета #2). Для мощности свыше 2 Вт существу­ет лишь очень ограниченный выбор готовых изолированных модулей DC/DC преобразова­телей, которые, несмотря на их удобство, часто очень дороги и при этом уступают дис­кретным решениям по компактности и имеют КПД ниже 80%.

Мощность, которую должен обеспечить драй­вер затвора, можно рассчитать по формуле:

где

P_GATE — общая мощность, необходимая для управления затвором SiC устройства; P_DRV — потери мощности в секции драйве­ра затвора (около 0.3 Вт);

QGATE — значение общего заряда затвора (из технического описания);

F_SW — максимальная частота переключения; AV_gate — максимальный размах напряже­ния на затворе от -V_EE до +V_DD (например, от -4 В до +15 В, т. е. 19 В).

Пример расчета #1 для транзистора Infineon IMZ120R045M11200 В/52 А:

P_GATE = 0.3 Вт + (62 нКл-100 кГц-19 В) = = 0.42 Вт.

Пример расчета #2 для модуля ROHM BSM600D12P3G001 1200 В/600 А:

P_GATE = 0.3 Вт + (1900 нКл-100 кГц-19 В) = = 3.91 Вт.

Выпускаемые в настоящее время модули SiC MOSFET могут иметь общий заряд затво­ра от нескольких сотен нК до 3000 нК. Чем выше их запирающее напряжение и номи­нальная мощность, тем выше емкость их затвора. При увеличении частоты переклю­чения или мощности нагрузки (что требует большего количества включенных парал­лельно SiC устройств с соответствующим увеличением общего заряда затвора) можно ожидать, что для наиболее требовательных современных и будущих приложений понадо­бятся системы управления затвором мощ­ностью 6 — 10 Вт.

КПД, размеры и особенно паразитная емкость связи — все это важные параметры для высокоэффективных систем на основе SiC. По мере увеличения частоты переклю­чения и, как следствие, роста скорости нарастания импульсов, больше энергии гар­моник проникает через емкостную связь между выходным каскадом преобразовате­ля/ драйвером затвора (со стороны высокого напряжения) и низковольтной стороной управления.

Паразитная емкость (C_P) между первич­ной и вторичной сторонами вспомогательно­го источника питания драйвера затвора в основном определяется межобмоточной емкостью силового трансформатора DC/DC преобразователя. Паразитная емкость 10 пФ при использовании новейших SiC MOSFET, переключающихся со скоростью нарастания AU/At до 100 кВ/мкс, порождает через изоли­рующий барьер пиковый ток смещения 1 А. Большой ток смещения в долгосрочной пер­спективе приводит к деградации изолирую­щего барьера, создает помехи управляющим сигналам и приводит к возникновению син­фазных токов, которые являются типичным источником электромагнитных помех.

где

I_P — электрический ток смещения,

C_P — паразитная емкость связи.

Обычно рекомендуется поддерживать величину емкости CP во вспомогательном источнике питания ниже 10 пФ. Однако следует учитывать, что макси­мальная емкость, допустимая в любом при­ложении, зависит от скорости переключения и устойчивости используемой микросхемы драйвера затвора к синфазным помехам