SiC-диоды Шоттки: снижение потерь в режиме жесткой коммутации

№ 1’2018
PDF версия
Замена кремниевых сверхбыстрых (Ultrafast) Si-диодов с плавной характеристикой восстановления, используемых в качестве оппозитных IGBT в режиме жесткой коммутации, на карбидокремниевые диоды Шоттки (SiC Schottky) позволяет снизить коммутационные потери в диоде на 80% и в IGBT на 50%.

Введение

Кремниевый (Si) IGBT, сочетающий в себе выходные и динамические характеристики биполярного транзистора и легкость управления MOSFET, стал основным силовым ключом, используемым в режиме жесткой коммутации в высоковольтных (более 500 В) и мощных (более 500 Вт) устройствах. К типичным областям применения относятся инверторы приводов, источники бесперебойного питания, сварочное оборудование и импульсные источники питания (SMPS).

Постоянно растущий спрос на повышение эффективности, упрощение системы охлаждения, уменьшение габаритов элементов силовой электроники, а также более строгие требования к уровню излучаемых помех EMI/RFI и качеству электроэнергии создают новые проблемы для разработчиков. Выполнение этих требований в значительной степени связано со снижением потерь включения IGBT при работе на индуктивную нагрузку в режиме жесткой коммутации. Ток обратного восстановления, наблюдаемый при выключении кремниевых оппозитных диодов, напрямую влияет на потери включения IGBT. Проблема усугубляется тем, что ток обратного восстановления увеличивается с повышением рабочей температуры, тока и di/dt.

Ток обратного восстановления диода и коммутационные потери IGBT могут быть существенно снижены при замене кремниевых оппозитных PiN-диодов на SiC-диоды с барьером Шоттки (SBD). Из-за особенностей кремния изготовить Si-диоды Шоттки с рабочим напряжением выше 200 В невозможно.

 

SiC-диоды Шоттки

SiC SBD выпускаются с номинальным напряжением 600 и 1200 В, 600-В диоды выпускаются с током 1, 4, 6, 10 и 20 А, 1200-В имеют номинальный ток 5 и 10 А. Основным преимуществом высоковольтных SiC SBD являются отличные динамические характеристики. Они имеют крайне низкий заряд обратного восстановления Qrr, который обусловлен барьерной емкостью, а не накоплением заряда. Кроме того, в отличие от Si-PiN-диодов, этот заряд не зависит от di/dt, прямого тока и температуры. Максимальная температура кристалла +175 °C у SiC SBD является фактической рабочей температурой. Сверхнизкая величина Qrr диодов SiC SBD позволяет уменьшить уровень коммутационных потерь в типовых схемах на основе IGBT, работающих в режиме жесткого переключения. В результате снижается температура корпуса IGBT, повышается эффективность системы, что даже дает возможность использовать менее мощный IGBT. Для оценки преимуществ этих высокопроизводительных диодов была использована тестовая схема с индуктивной нагрузкой, позволяющая измерить динамические потери IGBT и диодов. Это позволило провести сравнение потерь переключения сверхбыстрого кремниевого Si-диода с плавным восстановлением и SiC Cree Zero Recovery SBD и оценить влияние процесса их восстановления на потери переключения IGBT.

 

Измерительное оборудование

На рис. 1 показана схема, предназначенная для измерения характеристик переключения. В процессе работы на затвор IGBT подается двойной импульс. При тестировании 600-В прибора использовался резистор затвора 10 Ом для задания скорости коммутации 750 А/мкс. Для IGBT 12-го класса использовался резистор 22 Ом, при этом di/dt = 250 А/мкс.

Тестовая схема для измерений характеристик переключения SiC-диода Шоттки с индуктивной нагрузкой, эпюры сигналов

Рис. 1. Тестовая схема с индуктивной нагрузкой, эпюры сигналов

В момент времени T1 IGBT включается, и ток через индуктор увеличивается до тех пор, пока не достигнет требуемого значения в момент T2. При этом IGBT выключается, и ток индуктивности перекоммутируется в диод. Потери включения IGBT и потери включения диодов измеряются в переходном процессе T2.

В момент T2 IGBT выключается, и ток индуктора переходит на оппозитный диод. Потери выключения IGBT и потери включения диодов измеряются в переходном процессе T2. Ток индуктора продолжает течь через диод до тех пор, пока IGBT не будет включен во время T3. Теперь ток индуктора передается из диода обратно в IGBT. Потери включения IGBT и потери выключения диода измеряются в переходном процессе T3.

 

Сравнение характеристик переключения

Параметры коммутации измерялись для 15-А/600-В Ultrafast Si-диода с плавной характеристикой восстановления (такой же используется совместно с 40-А Ultrafast IGBT) и 10-А SiC SBD вместе с потерями 40-А/600-В Si-IGBT. Измерение потерь проводилось при напряжении 500 В и токе 20 A.

На рис. 2 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности, измеренные при выключении Ultrafast Si-диода при температуре кристалла +150 °C. Пик тока обратного восстановления достигает 23 А, время восстановления — 100 нс, пиковая мгновенная мощность — 7 кВт. На рис. 2 видно перенапряжение 200 В, вызванное высокой скоростью изменения тока di/dt при обратном восстановлении.

Эпюры напряжения и тока при выключении 600-В Ultrafast Si-диода, мгновенная мощность при Т = +150 °С

Рис. 2. Эпюры напряжения и тока при выключении 600-В Ultrafast Si-диода, мгновенная мощность при Т = +150 °С

На рис. 3 показаны эпюры выключения SiC SBD при +150 °C. Пик тока обратного восстановления здесь 4 А (снижение на 83%), время восстановления 33 нс (снижение на 67%), максимальная мгновенная мощность — 0,5 кВт (снижение на 93%). Резкое сокращение мощности переключения обусловлено тем, что SiC SBD должен рассеять лишь небольшой емкостной заряд, и это происходит при низком напряжении на диоде. Перенапряжение, формируемое при коммутации Si-диода, полностью отсутствует у SiC SBD.

Эпюры напряжения и тока при выключении 600-В SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +150 °С

Рис. 3. Эпюры напряжения и тока при выключении 600-В SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +150 °С

На рис. 4 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с Ultrafast Si-диодом, измеренные при температуре кристалла +150 °C. Во время включения транзистора ток обратного восстановления диода добавляется к току IGBT, что создает пик, достигающий 44 А. Пиковая мгновенная мощность 15 кВт рассеивается в IGBT. Кроме того, видны высокочастотные колебания на IGBT, возникающие при резком выключении кремниевого диода. Это является одной из основных причин генерации радиочастотных/электромагнитных помех.

Эпюры напряжения и тока при включении 600-В IGBT с Ultrafast Si-диодом, мгновенная мощность при Т = +150 °С

Рис. 4. Эпюры напряжения и тока при включении 600-В IGBT с Ultrafast Si-диодом, мгновенная мощность при Т = +150 °С

На рис. 5 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с SiC SBD, измеренные при температуре кристалла +150 °C. Использование SiC SBD позволяет снизить пик тока до 22 А (на 50%), а максимальную мгновенную мощность до 7,5 кВт (снижение на 50%). Также видно, что при этом отсутствуют высокочастотные осцилляции, что приводит к уменьшению генерации помех RFI/EMI.

Эпюры напряжения и тока при включении 600-В IGBT с SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +150 °С

Рис. 5. Эпюры напряжения и тока при включении 600-В IGBT с SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +150 °С

Сравнение параметров переключения SiC SDB и Ultrafast Si-диодов приведено для температур кристалла +25 и +150 °C в таблице 1. Можно видеть, что общее снижение потерь переключения (IGBT + диод) составляет 52% при +25 °C и 56% при +150 °С.

Таблица 1. Сравнение параметров SiC SDB и Ultrafast Si-диодов (600 В) при различных значениях Tj (IC = 20 A, VCC = 500 В, Rg = 10 Ом)

Параметр

Si Pin при +25/+150 °C

SiC при +25/+150 °C

% снижения при +25/+150 °C

Пик тока восстановления Ipr, A

13/23

4

69/83

Время обратного восстановления Trr, нс

83/100

30/33

64/67

Заряд восстановления Qrr, нс

560/1220

78/82

86/93

Потери выключения диода Eoff_d, мДж

0,11/0,23

0,02

82/91

Потери включения диода Eon_d, мДж

0,03

0,02

33

Потери общие диода Ets_d, мДж

0,14/0,26

0,04

71/85

Потери выключения IGBT Eoff_IGBT, мДж

0,63/0,94

0,23/0,24

63/74

Потери включения IGBT Eon_IGBT, мДж

0,46/0,89

0,32/0,64

30/29

Потери общие IGBT Ets_IGBT, мДж

1,09

0,55/0,64

50/28

Потери общие Ets, мДж

1,23/2,09

0,59/92

52/56

На рис. 6 показаны токи выключения Si Ultrafast и SiC SBD при +25 и +150 °C, наложенные в одном масштабе. Параметры SiC SBD не зависят от температуры, пиковый ток восстановления — 5 А. Ток восстановления Ultrafast Si-диода заметно меняется с температурой, увеличиваясь с 13 А при +25 °C до 23 А при +150 °С.

Ток восстановления при выключении Si Ultrafast и SiC SBD при +25 и +150 °С

Рис. 6. Ток восстановления при выключении Si Ultrafast и SiC SBD при +25 и +150 °С

На рис. 7 показаны кривые токов включения IGBT с Si Ultrafast и SiC SBD при температуре +25 и +150 °С, наложенные друг на друга. Пиковый ток IGBT с SiC SBD не зависит от температуры. Вариант с диодом Si Ultrafast показывает сильную температурную зависимость, связанную с высокой термозависимостью тока обратного восстановления.

Ток восстановления при включении Si Ultrafast и SiC SBD при +25 и +150 °С

Рис. 7. Ток восстановления при включении Si Ultrafast и SiC SBD при +25 и +150 °С

На рис. 8 показаны суммарные динамические потери диода (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температуре +50, +100 и +150 °C. SBD имеет значительно меньшие потери (снижение до 85%), не меняющиеся с ростом температуры.

Потери переключения 600-В Si Ultrafast и SiC SBD при +50, +100 и +150 °С

Рис. 8. Потери переключения 600-В Si Ultrafast и SiC SBD при +50, +100 и +150 °С

На рис. 9 показаны суммарные динамические потери IGBT (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температуре +50, +100 и +150 °C. Потери транзистора с SiC SBD примерно в два раза ниже, чем с Ultrafast Si-диодом. Этот вариант также демонстрирует гораздо меньшую зависимость от температуры. Температурная зависимость потерь переключения IGBT с SiC SBD обусловлена увеличением времени выключения транзистора, при этом потери включения не меняются с нагревом прибора. Такое заметное улучшение динамических свойств IGBT объясняется, в первую очередь, отсутствием процесса обратного восстановления SiC SBD.

Потери переключения 600-В IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD при +50, +100 и +150 °С

Рис. 9. Потери переключения 600-В IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD при +50, +100 и +150 °С

 

Сравнение характеристик переключения 1200-В приборов

Параметры переключения измерялись для 8 А/1200 В Ultrafast Si-диода (такой же используется совместно с 11-А сверхбыстрым IGBT) и 5-А SBD, вместе с потерями 11 А/1200 В IGBT. Измерение потерь проводилось при напряжении 1000 В и токе 5 A. Максимальная температура кристалла при испытаниях составляла +125 °С, поскольку при температуре +150 °С начинается тепловое «убегание» IGBT.

На рис. 10 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении Ultrafast Si-диода при температуре кристалла +125 °C. Пик тока обратного восстановления достигает 6 А, время восстановления — 148 нс, мгновенная пиковая мощность — 2,8 кВт. Перенапряжение на 600-В Si-диоде не является ярко выраженным, поскольку тестирование происходило при низком значении di/dt (250 вместо 750 А/мкс).

Эпюры напряжения и тока при выключении 1200-В Ultrafast Si-диода, мгновенная мощность при Т = +125 °С

Рис. 10. Эпюры напряжения и тока при выключении 1200-В Ultrafast Si-диода, мгновенная мощность при Т = +125 °С

На рис. 11 показано выключение SiC SBD при температуре кристалла +125 °C.

Эпюры напряжения и тока при выключении 1200-В SiC-диода, мгновенная мощность при Т = +125 °С

Рис. 11. Эпюры напряжения и тока при выключении 1200-В SiC-диода, мгновенная мощность при Т = +125 °С

Использование SiC SBD позволяет уменьшить пик тока до 1 А (снижение на 83%), время восстановления — до 30 нс (снижение на 80%), а максимальную мгновенную мощность — до 0,3 кВт (снижение на 89%). Такое значительное уменьшение пиковой мощности объясняется тем, что SBD рассеивает только емкостной заряд при низком напряжении.

На рис. 12 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с Ultrafast Si-диодом при температуре кристалла +125 °C. В процессе включения ток обратного восстановления диода добавляется к току IGBT, что создает пик 11,7 А. Мгновенная мощность, рассеиваемая при этом транзистором, составляет 11 кВт.

Эпюры напряжения и тока при включении 1200-В IGBT с Ultrafast Si-диодом, мгновенная мощность при Т = +125 °С

Рис. 12. Эпюры напряжения и тока при включении 1200-В IGBT с Ultrafast Si-диодом, мгновенная мощность при Т = +125 °С

На рис. 13 показаны эпюры напряжения, тока и мгновенной мощности при включении IGBT с SBD при температуре кристалла +125 °C. Использование SBD позволяет уменьшить пик тока до 6,7 А (снижение на 42%), а максимальную мгновенную мощность — до 6,2 кВт (снижение на 44%).

Эпюры напряжения и тока при включении 1200-В IGBT с SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +125 °С

Рис. 13. Эпюры напряжения и тока при включении 1200-В IGBT с SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +125 °С

На рис. 14 показаны эпюры токов выключения Ultrafast Si-диода и SiC SBD при температуре +25 и +125 °C, наложенные друг на друга. Параметры SiC SBD неизменны с температурой, пиковый ток восстановления — 1 А. Диоды Si Ultrafast демонстрируют сильную температурную зависимость, ток увеличивается с 5 А при +25 °C до 6 А при +150 °С. Время обратного восстановления Si Ultrafast растет со 100 нс при +25 °C до 148 нс при +125 °С, в то время как параметр trr у SiC SBD при тех же условиях остается неизменным.

Эпюры напряжения и тока при выключении 1200-В IGBT с SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +125 °С

Рис. 14. Эпюры напряжения и тока при выключении 1200-В IGBT с SiC SBD, мгновенная мощность при Т = +125 °С

На рис. 15 показаны эпюры токов включения IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD при температуре +25 и +125 °C, наложенные друг на друга. Пик тока IGBT с SiC SBD не зависит от температуры. Пиковый ток и время обратного восстановления IGBT с Ultrafast Si-диодом демонстрируют сильную температурную зависимость вследствие термозависимости процесса обратного восстановления.

Ток включения 1200-В IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD, мгновенная мощность при температурах +25 и +125 °С

Рис. 15. Ток включения 1200-В IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD, мгновенная мощность при температурах +25 и +125 °С

В таблице 2 приведено сравнение параметров переключения SiC SBD и Ultrafast Si-диодов для температур кристалла +25 и +125 °C. Все измерения показывают значительное превосходство SiC SBD. Их параметры остаются неизменными с увеличением температуры, в то время как у Ultrafast Si-диодов потери растут. Общее снижение потерь переключения (IGBT + диод) составляет 51% при +25 °С и 58% при +125 °С.

Таблица 2. Сравнение параметров SiC SDB и Ultrafast Si-диодов (600 В) при различных значениях Tj (IC = 5 A, VCC = 1000 В, Rg = 22 Ом)

Параметр

Si Pin при +25/+150 °C

SiC при +25/+150 °C

% снижения при +25/+150 °C

Пик тока восстановления Ipr, A

5,5/6

1

82/83

Время обратного восстановления Trr, нс

100/148

30

70/80

Заряд восстановления Qrr, нс

295/540

20

93/95

Потери выключения диода Eoff_d, мДж

0,08/0,16

0,02

75/88

Потери включения диода Eon_d, мДж

0,03

0,02

33

Потери общие диода Ets_d, мДж

0,11/0,19

0,04

64/79

Потери выключения IGBT Eoff_IGBT, мДж

0,73/0,98

0,28

62/71

Потери включения IGBT Eon_IGBT, мДж

0,33/0,57

0,25/0,41

24/28

Потери общие IGBT Ets_IGBT, мДж

1,06/1,55

0,53/0,69

50/55

Потери общие Ets, мДж

1,17/1,74

0,57/0,73

51/58

На рис. 16 показаны суммарные динамические потери диода (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температурах +25, +75 и +125 °C. SiC SBD имеет значительно меньшие потери переключения (снижение до 75%), которые не зависят от температуры.

Потери переключения 1200-В Ultrafast Si-диода и SiC SBD при +25, +75 и +125 °С

Рис. 16. Потери переключения 1200-В Ultrafast Si-диода и SiC SBD при +25, +75 и +125 °С

На рис. 17 показаны суммарные динамические потери IGBT (включение и выключение) при частоте коммутации от 10 до 100 кГц и температурах +25, +75 и +125 °C. Потери транзистора с SiC SBD примерно в два раза ниже, чем с Si Ultrafast. У этого варианта также меньше температурная зависимость потерь. Ее наличие объясняется тем, что с ростом температуры растет время выключения, а потери включения остаются при этом неизменными. Такое заметное улучшение динамических свойств IGBT объясняется, в первую очередь, отсутствием процесса обратного восстановления SiC SBD.

Потери переключения 1200-В IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD при +25, +75 и +125 °С

Рис. 17. Потери переключения 1200-В IGBT с Ultrafast Si-диодом и SiC SBD при +25, +75 и +125 °С

 

Потери проводимости и общие потери

На рис. 18 показана прямая вольт-амперная характеристика 1200-В Ultrafast Si-диода и SiC SBD при температурах +25 и +125 °С. При токе 5 А прямое падение напряжения SiC SBD меньше на 0,75 В при 25 °С и на 0,18 В при +125 °С, таким образом, SiC-диод имеет меньшие потери проводимости.

Прямая вольтамперная характеристика 1200вольтового Si Ultrafast и SBD диода при +25 и +125°С

Рис. 18. Прямая вольтамперная характеристика 1200вольтового
Si Ultrafast и SBD диода при +25 и +125°С

В таблице 3 приведены расчеты суммарных потерь для преобразователя на модулях 12-го класса, работающего с частотой коммутации 100 кГц с коэффициентом заполнения 50% при среднем токе 2,5 А. Расчеты делались для температуры кристаллов +125 °С. Справочное значение потерь проводимости IGBT составляет 2,9 В при 5 А. При использовании SiC SBD общие потери диода уменьшаются на 50%, а потери IGBT — на 51%. Таким образом, простая замена Ultrafast Si-диодов на SiC SBD обеспечивает снижение потерь 1200-В конвертера на 51%.

Таблица 3. Сравнение расчетных значений потерь конвертера с 1200-В Ultrafast Si-диодами и SiC SDB при Tj = +125 °C

Параметр

Si Pin

SiC

% снижения

Потери диода динамические, Вт

19

4

79

Потери диода статические, Вт

12,5

11,7

6

Потери общие диода, Вт

31,5

15,7

50

Потери IGBT динамические, Вт

155

69

55

Потери IGBT статические, Вт

14,5

14,5

0

Потери общие IGBT, Вт

169,5

83,5

51

Потери общие, Вт

201

99,2

51

 

Заключение

Потери включения IGBT в значительной степени зависят от характеристик обратного восстановления оппозитного диода. Параметры SiC SBD оказывают большое влияние на динамические свойства как самого диода, так и IGBT в режиме жесткой коммутации. Представленные выше результаты измерений демонстрируют значительные преимущества SiC-диодов Шоттки. В то время как ток обратного восстановления Ultrafast Si-диодов демонстрирует сильную зависимость от температуры, параметры SiC SBD остаются неизменными. При высоких значениях di/dt Ultrafast Si-диоды генерируют перенапряжение при выключении, в отличие от них SiC SBD практически не генерируют перенапряжения благодаря отсутствию тока обратного восстановления. Резкое выключение Si Ultrafast создает паразитные осцилляции напряжения на IGBT, что, в свою очередь, приводит к генерации радиочастотных/электромагнитных помех. Этот эффект также отсутствует у SiC SBD.

Снижение потерь переключения на 50% можно использовать для оптимизации характеристик устройства несколькими различными способами. Например, это дает возможность увеличения эффективности преобразователя, снижения требований к системе охлаждении или использования IGBT с меньшим номинальным током. Также это позволяет увеличить рабочую частоту и, соответственно, уменьшить размеры пассивных компонентов или улучшить акустические характеристики. Отсутствие коммутационных перенапряжений устраняет необходимость в снабберных цепях. Отсутствие высокочастотных осцилляций уменьшает требования к фильтрам RFI/EMI. Замена Ultrafast Si-диодов на SiC-диоды Шоттки, такие как Cree Zero Recovery SBD, приводит к существенному снижению коммутационных потерь как в диоде, так и в IGBT, что дает значительное улучшение характеристик всей системы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory