Управление карбидом кремния: драйвер для модуля SiC MOSFET 62 мм

Управление SiC, общие положения

В большинстве случаев оптимальные характеристики SiC-ключей обеспечиваются при напряжении на затворе V_GS = 18–20 В, что подтверждается кривыми, показанными на рис. 1 и 2. Как видно из графиков, у карбида кремния намного выше эффект модуляции напряжения управления. Это справедливо для режимов, где полупроводниковый прибор ведет себя как управляемое напряжением сопротивление или как управляемый напряжением источник тока, зависящего от V_DS.

Рис. 1.
a) Типовая выходная характеристика SiC MOSFET при температуре кристалла T_j = +25 °C;
б) при T_j = +125 °C транзисторы SiC MOSFET демонстрируют минимальные изменения

Рис. 2. Типовая передаточная характеристика SiC MOSFET при температуре кристалла T_j = +25 и +125 °C

В открытом состоянии напряжение сток-исток V_DS SiC MOSFET, как правило, больше, чем V_CE(sat) Si IGBT. Данный факт влияет на работу схем контроля выхода из насыщения, особенно если учесть специфику перехода MOSFET в режим стабилизации тока при перегрузке.

Типичной ошибкой является выбор устройства управления по напряжению на затворе без учета выходного сопротивления и нагрузочной способности. Очевидно, что, кроме соответствующих значений V_{GS_on} и V_{GS_off}, драйвер должен иметь высокий пиковый ток, малый выходной импеданс и мощность, достаточную для управления затвором на заданной частоте коммутации.

Перепад напряжения управления DV_GS SiC-ключей — не менее 22 В, при этом рекомендуемые значения V_{GS_on} (+20 В) и V_{GS_off} (от –2 до –5 В) отличаются от величин, традиционно используемых для контроля кремниевых MOSFET и IGBT. Также отметим, что суммарный заряд затвора (Q_{g_tot}) у SiC MOSFET значительно меньше, соответственно, меньше и энергия управления (произведение DV_GS на заряд Q_g). Однако это трудно назвать преимуществом SiC MOSFET, которые предназначены для работы на повышенных частотах.

Типовое пороговое напряжение включения SiC MOSFET составляет 2,5 В, но карбидокремниевый ключ не может открыться полностью до тех пор, пока V_GS не достигнет 18–20 В. Таким образом, диапазон изменения напряжения на затворе SiC заметно шире, чем у кремниевых транзисторов MOSFET и IGBT. Высокий модулирующий эффект считается одним из недостатков карбида кремния, поскольку его следствием является низкая стойкость SiC-ключей к шумовым сигналам. Любой дребезг, возникающий на управляющем выводе, может привести к ложному включению или частичному выключению устройства.

Большим преимуществом SiC MOSFET считается отсутствие хвостового тока, присущего IGBT-модулям. Тем не менее этот паразитный эффект биполярных структур обеспечивает определенную степень демпфирования переходных процессов. При замене кремниевых ключей на карбидокремниевые часто появляется дополнительный дребезг и большие всплески напряжения при переключении, уровень которых может оказаться достаточным для пробоя полупроводникового прибора. Для решения этих проблем следует оптимизировать схему управления, минимизировать паразитные индуктивности в цепи коммутации и в ряде случаев использовать дополнительные снабберные цепи.

Плата управления SiC MOSFET

В разработанном SEMIKRON адаптере Board SiC Module SKYPER 42 LJ использовано стандартное полумостовое ядро SKYPER 42 LJ. Плата может непосредственно соединяться с модулем 62 мм (конструктив SEMITRANS 3), использоваться в качестве вертикально расположенного переходника или подключаться проводами к выводам управления SiC MOSFET (в этом случае необходимо обеспечить низкоиндуктивное соединение).

Драйвер SiC на базе ядра SKYPER 42 LJ способен управлять карбидокремниевыми модулями 12- и 17-го класса при напряжении DC-шины до 1200 В и максимальной частоте переключения 30 кГц. Работа на более высоких частотах возможна с учетом требований по изоляции и ограничений режимов SKYPER 42 LJ.

Схема защиты SKYPER 42 LJ детектирует выход из насыщения (DESAT) обоих ключей полумоста, а также контролирует состояние датчика температуры NTC. При обнаружении состояния DESAT драйвер блокирует оба транзистора и выдает сигнал об ошибке. То же самое происходит в случае, когда сигнал с NTC-сенсора превышает заданное значение (устанавливается пользователем на плате адаптера). По умолчанию функция Interlock (запрет одновременного включения двух транзисторов полумоста) отключена для расширения функциональных возможностей драйвера. В двухуровневых инверторах управляющий контроллер должен исключать такую ситуацию, приводящую к замыканию шин DC+ и DC–, а также обеспечивать необходимое «мертвое» время.

Плата управления предназначена для упрощения разработки двухуровневых инверторов на базе SiC MOSFET. Адаптер Board SiC Module SKYPER 42 LJ испытан по напряжению изоляции, однако он не проходит функциональный тест, который следует проводить в составе изделия.

Основные особенности адаптера

Адаптер Board SiC Module SKYPER 42 LJ (рис. 3а) предназначен для управления модулями SiC MOSFET с рабочим напряжением до 1700 В. Напряжение затвора регулируется в диапазоне от –5 В (V_Goff) до +18 В (V_Gon) с помощью схемы смещения уровня, конкретная величина выбирается на основе спецификации SiC MOSFET. Это позволяет использовать стандартный драйвер IGBT (SKYPER 42 LJ формирует напряжение на затворе –8/+15 В соответственно) для управления карбидокремниевыми ключами. Конструктивное решение обеспечивает подключение адаптера непосредственно к SiC-модулям в конструктиве 62 мм (рис. 3б).

Рис. 3.
а) Адаптер SiC Module SKYPER 42 LJ;
б) модуль SEMIKRON 62 мм

Аппаратная реализация

Адаптер Board SiC Module SKYPER 42 LJ (рис. 4) представляет собой печатную плату (PCB, артикул 45126301), на которой установлены резисторы затвора R_G, диоды-супрессоры, коннекторы для подключения ядра SKYPER 42 LJ, пользовательский разъем и другие компоненты.

Рис. 4. Адаптер с установленным ядром SKYPER 42 LJ (вид сбоку) и без него (вид сверху)

В зависимости от номинальной мощности и условий эксплуатации (напряжение, ток, индуктивность DC-шины) выбираются номиналы R_G, напряжение активного ограничения и пороговые уровни схемы защиты. Gerber-файлы предоставляются по запросу, для их получения следует обратиться в офис технической поддержки SEMIKRON.

Технические параметры

Блок-схема

На блок-схеме адаптера (рис. 5) показана печатная плата (выделена голубым цветом) с сигнальным разъемом, резисторами затвора, диодами схемы DESAT и ядром SKYPER 42 LJ (выделено зеленым цветом).

Рис. 5. Блок-схема адаптера SiC Module SKYPER 42 LJ

Электрические и механические характеристики

В соответствии с электрической спецификацией адаптер Board SiC Module SKYPER 42 LJ предназначен для работы в следующих режимах:

• максимальное напряжение DC-шины: V_DC = 1200 В;
• максимальное выходное напряжение: V_AC = 690 В (линейное значение);
• максимальная частота коммутации: f_sw = 30 кГц;
• температура окружающей среды: T_a = 0…+40 °C;
• класс защиты: IP00.

Превышение упомянутых ограничений может привести к отказу изделия. Электрическая изоляция между пользовательским интерфейсом (первичный каскад) и высоковольтными цепями (вторичный каскад) обеспечивается трансформатором ядра SKYPER 42 LJ. Длина пути тока утечки по воздуху и изоляции между первичными и вторичными каскадами адаптера составляет 12,2 мм. Следует учесть, что применение монтажных стоек из электропроводящих материалов может ухудшить изоляционные свойства.

Плата имеет длину 106 мм и ширину 65 мм, общая высота с учетом SKYPER 42 LJ составляет 42 мм. Для надежного отсоединения адаптера и ядра SKYPER 42 LJ предусмотрены монтажные отверстия для установки опорных стоек с двойной фиксацией.

Адаптер подключается к силовому модулю 62 мм путем прессовой посадки на сигнальные выводы. Изделие можно использовать с SiC-модулями в других конструктивах, соединение при этом выполняется с помощью проводов.

Защитные функции

Адаптер Board SiC Module SKYPER 42 LJ обеспечивает все базовые функции защиты силового ключа от аварийных ситуаций. Стандартный NTC-датчик температуры можно контролировать по входу ERROR канала ВОТ. При достижении заданного пользователем порога ключ BOT блокируется и ошибка транслируется из высоковольтного каскада драйвера на его вход.

Мониторинг состояния перегрузки по току осуществляется измерением падения напряжения на открытом транзисторе V_{DS_on}. Как только величина V_{DS_on} достигает заданного значения (соответствующего выходу из насыщения), драйвер выдает сообщение об ошибке и блокирует соответствующий ключ в режиме плавного отключения.

Пороговое значение прямого напряжения V_DSStat и время блокировки T_Blank схемы защиты устанавливаются в адаптере с помощью резистора R_DS и конденсатора C_DS (типоразмер 0805) в соответствии с формулами, которые немного отличаются от приведенных в техническом описании драйвера SKYPER 42 LJ [5]:

Напряжения V_DSStat и V_{CE (IN)} относятся к контакту 2 разъема X102 (ключ ТОР) и контакту 1 разъема X202 (ключ BOT) соответственно. Взаимное положение R_DS и C_DS не имеет значения, так как они соединены параллельно (элементы выделены желтой рамкой на рис. 6).

Рис 6. Плата адаптера, вид сверху. Подборные элементы выделены цветными рамками

Обратите внимание, что функция DESAT не отключается, поэтому потенциал коллектора/стока верхнего (ТОР) транзистора должен быть подключен к X050 (фиолетовая рамка на рис. 6, оба контакта соединены параллельно).

Подборные элементы на печатной плате

На печатной плате адаптера имеются подборные компоненты, предназначенные для адаптации схемы к конкретным условиям применения. Они выделены цветными рамками на рис. 6; функциональное назначение и возможные значения описаны далее.

Настройка порога термозащиты

Для мониторинга тепловой перегрузки силового каскада используется встроенный в модуль или внешний датчик NTC. При превышении заданного значения температуры срабатывает компаратор (рис. 7) и вывод ERROR драйвера SKYPER 42 принимает уровень логического 0. Порог срабатывания термозащиты настраивается резистором R52 (выделен красной рамкой на рис. 6).

Стандартное значение R52 составляет 475 Ом (соответствует температуре +100 °C), без подключения NTC-сенсора к коннектору XT2 (коричневая рамка на рис. 6) тепловая защита не работает. Зависимость сопротивления NTC-датчика от температуры в диапазоне +70…+150 °C показана на рис. 7, номинал R52 (типоразмер Mini MELF или 1206) необходимо выбирать соответственно.

Рис. 7. Схема подключения NTC-датчика и его рабочая характеристика

Резисторы затвора

На плате драйвера SKYPER 42 LJ предусмотрены отдельные монтажные площадки для установки резисторов включения R_Gon, выключения R_Goff и мягкого выключения R_soft (рис. 8). Сопротивление R_soft, номинал которого примерно в 10 раз превышает R_Goff, используется при отключении тока КЗ. Для правильной работы системы все монтажные площадки должны быть задействованы.

Рис. 8. Подключение резисторов затвора RGon, RGoff, Rsoft

На плате адаптера предусмотрено по три монтажные площадки на каждый ключ для установки резисторов R_Gon и R_Goff (синяя и оранжевая рамки на рис. 6) типоразмера MELF. Также имеются отверстия для установки двух проводных компонентов. Для монтажа резистора плавного отключения R_soft предусмотрена одна площадка (зеленая рамка на рис. 6). Номиналы сопротивлений/емкостей необходимо выбирать в соответствии с рабочими режимами (напряжение и индуктивность DC-шины, частота переключения, динамические потери и т. д.). Следует уделить особое внимание расчету потерь мощности затворных резисторов в импульсном режиме.

Обработка сигналов ошибки в драйвере SKYPER 42 LJ

Назначение резисторов R12–R17 типоразмера 0805 описано в таблице. Сопротивления R13 и R14 (желтая рамка на рис. 6) определяют взаимодействие между каналами драйвера SKYPER 42 LJ по сигналу ошибки. Использование любых других комбинаций (например, все = 0 или отсутствуют) может привести к отказу системы.

Сопротивления R16 и R17 (голубая рамка на рис. 6) предназначены для активации и деактивации функции Interlock. При замене R16 на перемычку (R = 0) Interlock отключается, то есть оба канала драйвера могут работать одновременно. Нулевое значение R17 задает «мертвое» время t_dt длительностью 2 мкс.

Сопротивления R12 и R13 (зеленая рамка на рис. 6) позволяют выбрать режим цифровой или аналоговой фильтрации входного ШИМ-сигнала. Установка перемычки вместо R12 активирует аналоговый фильтр, R13 — цифровой фильтр. Более подробную информацию можно найти в техническом описании SKYPER 42 LJ [5].

Пользовательский интерфейс

Адаптер Board SIC SKYPER 42 LJ может быть подключен непосредственно к модулю SEMITRANS 3 с помощью коннекторов X102 и X202, расположенных на нижней стороне платы (рис. 9).

Рис. 9. Сборка адаптера SiC Module SKYPER 42LJ и модуля SiC SEMITRANS

Ограничения и технические требования

В этом разделе описываются основные ограничения и требования, соблюдение которых позволяет избежать повреждения платы драйвера и силового модуля.

Формирование сигнала неисправности

При выходе транзистора из насыщения он должен быть заблокирован в течение короткого времени t_psc, указываемого в спецификации силового модуля. В противном случае возникает перегрузка, способная разрушить полупроводниковые чипы. Рекомендуется соблюдать правильную последовательность отключения, устраняющую возникновение опасных коммутационных перенапряжений. Пользователю необходимо соответствующим образом реагировать на сообщения об ошибках, генерируемых драйвером: следует выполнять рекомендуемый алгоритм блокировки, также обязательно выключение транзистора в течение времени, меньшего t_psc. Последнее требование особенно важно, если управление схемой защиты в SKYPER 42 LJ настроено только на выдачу сигнала предупреждения (табл.).

Резисторы затвора

Минимальное сопротивление затвора определяется перепадом выходного напряжения драйвера при коммутации: например, при V_{Gon_off} = +18/–5 В разница напряжений составляет 23 В. Пиковый ток SKYPER 42 LJ — 20 А, поэтому минимальный номинал резистора R_Gmin = 1,15 Ом.

Суммарное сопротивление затвора состоит из внутреннего R_Gint (приводится в спецификации модуля) и внешнего резистора включения/выключения R_Gon/R_Goff. Минимальную величину R_Gon,min и R_Goff,min можно рассчитать по формуле:

R_Gon,min = R_Goff,min = 1,15 Ом – R_Gint.

Если полученное значение ≤ 0, то R_Gon и R_Goff могут быть заменены перемычками (0 Ом) без опасности перегрузки драйвера. В противном случае следует использовать резисторы с номиналом не менее R_Gon,min/R_{Goff_min}, что гарантирует устойчивую работу SKYPER 42 LJ. Выбор оптимальной величины R_G, обеспечивающей необходимый компромисс между динамическими потерями и уровнем коммутационных перенапряжений, является задачей разработчика.

Следует внимательно отнестись к нормированию мощности затворных резисторов, которые должны выдерживать высокую импульсную перегрузку, возникающую при коммутации емкостей затвора. Дополнительную информацию об этом можно найти в руководстве AN-7003 [3].

Изоляционные характеристики

Адаптер Board SiC SKYPER 42 LJ проходит проверку напряжения изоляции (3200 V AC в течение 1 с), а также тест на частичный разряд.