Le carbure de silicium (SiC) est une technologie bien établie qui présente de nets avantages par rapport aux technologies du silicium (Si), notamment la superjonction Si (SJ) et les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT), dans les applications haute tension et haute fréquence de commutation de 900 V à plus de 1 200 V.
L'introduction récente des produits MOSFET SiC 650 V a encore élargi l'utilisation du SiC en remplaçant facilement les IGBT, en réduisant la part des applications SJ Si et en offrant une alternative au nitrure de gallium (GaN) dans la plage des tensions moyennes.
Lorsqu'ils remplacent des dispositifs en Si par du SiC ou qu'ils en conçoivent de nouveaux, les ingénieurs doivent prendre en compte les différentes caractéristiques, capacités et avantages du SiC pour garantir le succès. Voici une liste de conseils sur la conception du SiC que prodiguent les experts en énergie de Wolfspeed.
VarianceRDS(ON) avec température
L'un des principaux avantages du SiC est un faible RDS(ON) qui ne varie que de 1,3× à 1,4× sur une large plage de températures, alors que dans les dispositifs en Si ou en GaN, le RDS(ON) peut doubler ou tripler par rapport à la température nominale de 25 ºC jusqu'aux températures de jonction pratiques comprises entre 120 ºC et 140 ºC (Figure 1). Il est donc important de vérifier soigneusement la fiche technique et de spécifier l'I2R ou la perte de conduction adéquate.
Figure 1 : Un dispositif de 60 mΩ Si ou GaN pourrait être chaud à une valeur >120 mΩ,
alors qu'un appareil à 90 mΩ SiC serait chaud de 120 mΩ.
Pas de tension de coude
Les IGBT sont optimisés pour un point de conception thermique à plein courant nominal. En dessous de ce point se situe la courbe de tension exponentielle en « coude » VCE(sat) (Figure 2). Les caractéristiques VDS des MOSFET SiC sont linéaires, offrant une perte de conduction plus faible en tout point inférieur au courant nominal complet.
Figure 2 : Comparaison entre un IGBT 50 A et un SiC 50 A
MOSFET dans le module à Tj = 150 °C. Avec un courant nominal réduit au tiers
, les pertes du SiC sont deux fois moins élevées que celles de l'IGBT.
Il est particulièrement utile de garder cela à l'esprit lors de la conception des groupes motopropulseurs de VE, dans lesquels le cycle de conduite est généralement inférieur à la pleine puissance nominale. Lorsqu'il est utilisé en parallèle, la courbe IGBT VCE(sat) aggrave le problème.
Les concepteurs doivent donc examiner attentivement où se situe leur point de conception thermique et leur profil de mission.
Fréquence de commutation effective
La fréquence de commutation effective (ESF) est définie comme la fréquence maximale dans une application à commutation dure qu'un dispositif peut maintenir à la valeur nominale IC100 avec un rapport cyclique de 50 % en ondes carrées sans dépasser la dissipation de puissance maximale spécifiée du dispositif à la tension de fonctionnement. Ou :
ESF = PDmax(1 — Cycle d'utilisation)
ET
Où :
PDmax est la valeur maximale de dissipation de puissance,
Cycle d'utilisation égal à 50 %, et
ET est l'énergie de commutation totale à 800 V, 175 ºC, et la résistance de grille spécifiée (Rg) dans la fiche technique
L'ESF théorique d'un MOSFET SiC Wolfspeed de 40 mΩ par rapport à celui d'un dispositif de 40 mΩ Si est 10 fois plus élevé. Bien que cela donne un aperçu des capacités du SiC, le refroidissement, le magnétisme et le coût imposent des limites pratiques à la fréquence de commutation.
Les coûts de refroidissement augmentent, mais le coût de la BoM passive pour les inducteurs et les condensateurs diminue avec la fréquence de commutation. Pour les IGBT, la fréquence optimale est d'environ 18 kHz, à l'intersection des courbes d'économie de refroidissement et de BoM passive. Pour les MOSFET SiC, avec leurs pertes de conduction plus faibles, le point d'équilibre des coûts se situe à environ 60 kHz (Figure 3).
Figure 3 : L'optimisation de la fréquence prend en compte
les limites pratiques de la fréquence de commutation
dans les coûts de refroidissement et la BoM.
Les concepteurs doivent noter qu'il y a une limite à la minimisation des inducteurs, en particulier si le système est relié au réseau. Et bien que les dispositifs SiC eux-mêmes soient plus chers que les IGBT, une conception optimisée en fréquence permet de réaliser une économie de 20 à 25 % au niveau du système.
Optimisation pour les applications
Le facteur de mérite (FoM) d'un MOSFET est défini par l'équation ci-dessous. L'idée sous-jacente est qu'une valeur inférieure RDS(ON) signifie des pertes de conduction plus faibles, tandis qu'une charge de grille plus faible, Qg, signifie des pertes de commutation plus faibles. Les pertes totales sont minimisées si leur produit, FoM, est réduit au minimum.
FoM = RDS(ON) x QG
Un examen des caractéristiques du courant de sortie et de la puissance de sortie en fonction de la fréquence de commutation de deux des modules de puissance à plus haute densité de puissance de Wolfspeed révèle que les concepteurs doivent choisir avec soin le produit optimal pour leur application (Figure 4). Le module 450-A CAB450M12XM3 est optimisé pour un très faible RDS(ON), mais le module 400-A CAB400M12XM3 est optimisé pour FoM. Au-delà de 15 kHz, le 400 A fournit un courant et une puissance plus élevés.
Figure 4 : Pour cet exemple théorique, FSW est de 15 kHz.
Après le point de croisement, le CAB400M12XM3 peut fournir
un ampérage supérieur à celui de CAB450M12XM3.
Pour un entraînement moteur fonctionnant généralement en dessous de 20 kHz, le module à ampérage plus élevé est efficace, mais pour les convertisseurs d'énergie solaire fonctionnant dans la plage de 48 à 60 kHz, le module 400-A est un meilleur choix.
Robustesse VDS et déclassement
Les IGBT sont généralement évalués à 1,2 kV, avec une tension de rupture VDS proche de 1,25 kV. Les MOSFET SiC de Wolfspeed, malgré leur tension nominale de 1,2 kV, ont généralement des tensions de claquage supérieures de plusieurs centaines de volts. Dans les applications aérospatiales, où les concepteurs doivent tenir compte des effets du rayonnement cosmique, la robustesse du SiC offre un avantage.
Récupération inverse
Les concepteurs n'y prêtent peut-être pas autant d'attention quand il s'agit de commutation logicielle ou de conception asymétrique, mais la récupération inverse (Qrr) est importante pour les conceptions symétriques, notamment les PFC de type buck, boost et totem-pole. Un MOSFET SiC 650 V Wolfspeed aurait une Qrr de 11 nC pour une durée de récupération inverse, Trr, de 16 ns par rapport à un MOSFET SiC 650 V typique qui a un Qrr de 13-µC pour un Trr de 725 ns.
Broche source Kelvin
La broche source Kelvin, une connexion Kelvin aussi proche que possible de la connexion source du die MOSFET, est utilisée pour atténuer l'inductance due aux fils de liaison internes des MOSFET. Pour maintenir l'avantage de la haute fréquence de commutation des dispositifs en SiC, la broche source Kelvin est essentielle.
La broche de source Kelvin affecte également la perte de commutation. Par exemple, à 30-A IDS, la perte de commutation totale dans un MOSFET TO-247-3 SiC sans broche de source Kelvin et avec une inductance de source 12-nH est proche de 430 µJ (Figure 5). Le même produit dans un boîtier TO-247-4, avec une broche de source Kelvin, n'a que 150 µJ de perte de commutation pour le même IDS. Le passage à un boîtier plus petit comme le TO-263-7 ou le D2PAK-7 pour montage en surface réduit encore l'inductance de source inhérente et les pertes.
Figure 5 : La broche source Kelvin permet d'éviter
l'inductance dans la boucle du mécanisme d'entraînement
et réduit la perte d'énergie de commutation.
Considérations relatives aux mécanismes d'entraînement
Lorsqu'ils pilotent des MOSFETs SiC, les concepteurs doivent se rappeler qu'un mécanisme d'entraînement négatif est nécessaire pour assurer un arrêt brutal, contrairement au silicium, dans lequel un mécanisme d'entraînement positif est utilisé pour mettre le dispositif sous tension. D'autres facteurs spécifiques au SiC doivent être pris en compte :
- • un dV/dt plus rapide et une immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) nominale de >100 kV/µs
- •Tension de travail continue de pointe (VIORM) jusqu'à 1,7 kV
- • Une capacité de conduite généralement plus élevée et allant jusqu'à 10 A
- • Délais de propagation et temps de décalage des canaux généralement <10>
- • Exigence de la pince de Miller active en raison de vitesses de commutation plus élevées et d'un seuil légèrement inférieur à 2 V
- • Une protection rapide contre les courts-circuits grâce à la taille réduite des puces en SiC (<1,8>
En outre, le pilotage des appareils à base de SiC est comparable à celui des appareils à base de Si.
Faire face aux IEM
Comme les fréquences de commutation cibles sont généralement plus élevées pour les dispositifs en SiC, et que leurs temps de montée et de descente sont beaucoup plus courts que ceux des produits en Si, les ingénieurs peuvent être enclins à croire que cela entraînerait des problèmes d'IEM plus importants.
Cependant, il n'y a aucun effet sur le bruit à basse fréquence ou la taille du filtre EMI en mode différentiel nécessaire par rapport au Si. Bien qu'il y ait un effet sur le bruit en mode conduction sur la borne d'entrée, il n'est que de l'ordre du mégahertz. Ces interférences électromagnétiques à haute fréquence peuvent être atténuées, tout comme pour les appareils à base de Si, en utilisant un matériau et un condensateur à haute fréquence pour la suppression des interférences électromagnétiques.
Un large éventail d'applications
Les dispositifs SiC sont utilisés aujourd'hui dans des applications allant des onduleurs de 200 kW, des groupes motopropulseurs de 180 kW et des onduleurs solaires de 10 kW jusqu'aux SMPS à LED de 220 W, tous conçus en tenant compte de quelques considérations de conception du SiC et des principes de bonne conception habituels.
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