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知識コラム

SiCパワーデバイスのゲートレベル駆動回路を最適化するには?

作者: First Tech2024-04-19 01:25:21

パワーエレクトロニクス応用において、シリコン炭化物(SIC)半導体装置はその卓越した性能のため、伝統的なシリコンベース装置に取って代わられつつある。SiCデバイスは、より高い破壊電圧、より低いオン抵抗、および優れた熱特性を有し、これらの特性はSiCゲート段駆動回路の設計を重要にする。本文はどのようにSiCゲートレベル駆動回路を最適化して全体の効率と信頼性を高め、同時に新興技術の高性能需要を満たすかを検討する。

分離ゲートドライバは、SiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)などの技術に必要な最高スイッチング速度とシステムサイズの制限を満たすために設計されており、IGBTmosfetの信頼性の高い制御を提供することができる。アーキテクチャの進化は、新しい効率レベルとタイミング性能の安定性を満たすことができ、それによって電圧歪みを低減することができる。ROHM Semiconductorは炭化ケイ素(SiC)技術に基づくパワーデバイスの基準点である。

一、なぜSIC MOSFRTを使用するのか

私たちの材料は固有抵抗が低いので、より小さなチップを使用して、最終的にはより小さなパッケージを実現することができます。パワーデバイスなどの複雑なコンポーネントにとって、これは重要な要素であり、これらのコンポーネントは通常、ブリッジ構成に複数のレイヤを含む。

Sic优势

さらに、より小さなチップは、内部レイアウトをより最適化し、寄生容量を削減するのに役立ちます。SiC技術の第2の利点は、より高い動作周波数である。より良い材料動態とより高いスイッチング速度により、より高い動作周波数を実現することができ、それにより受動素子(コイルインダクタ、フィルタ、変圧器)のサイズ、リップルを低減することができ、場合によっては入出力容量を低減することもできる。

3つ目の利点は、SiC材料の動作温度がより高い(200度まで)ことと、より良好な導電性のために、より高い動作温度に関係しています。これにより、ヒートシンクのサイズを縮小したり、場合によっては冷却システムを簡略化したりすることができます。液体冷却システムから強制空冷システムに移行することもある。

二、SiC MOSFET駆動回路の挑戦と最適化

より高い誘導電圧

次の図は、炭化ケイ素(SiC)MOSFET、パワーMOSFET、およびシリコンIGBTの異なるパワーデバイス間の比較を示している。

SiCMOSFET

出力特性(異なるメーカーを参照)から、電圧レベルに大きな変化が見られる。ROHM SiC MOSFETは現在第3世代に入り、その典型的なゲートソース電圧(VGS)は18 Vである。私たちは今、もし私たちが間違った電圧電圧でSiC MOSFETを駆動したら何が起こるかを検査することに興味があります:私たちの電圧は18 Vから始めて、徐々に電圧を16 V、14 Vに下げてこの電圧よりも低いです。電源電圧の変化やその他の要因により、現場でも電圧降下が発生する可能性があるため、この点は重要です。下図の設定は実験室でテストされました。

rohm190306_fig3.jpg

測定回路は、出力5 kWの昇圧器構成に基づいている。VGS 18 Vから、電圧は徐々に14 V以下に低下した。13.4 Vでテストを停止します。試験結果は図のように:予想通り、R ds(誘起電圧の低下に伴って増加した。14 V前後(被測定デバイスを指す)の時、温度の上昇が観察でき、破壊(熱暴走による)が発生する前に試験を停止しなければならない。

この現象は、Rds(on)温度係数が12 V〜14 V付近にあることがフラグであるため注目されている。18 Vにおいて、温度係数は正である:これは温度が上昇し、Rds(on)が増加することを意味する。、低インダクタンス電圧では、温度係数が負であり、温度が上昇すると、Rds(on)が低下する。熱暴走を回避するために、このクラスのSiC MOSFETは最小インダクタンス電圧を14 Vにする必要がある。

电路功率

もう1つの大きな問題は、SiC MOSFETを正しく駆動する方法と、この目的を達成するためにシリコンMOSFETを使用できるかどうかです。例えば、図5の電源原理図を考える。入力電圧は700〜1000 VDCであり、シリコンMOSFETを適用するのは難しいが、いずれにしても、このアプリケーションを満たすためには2つの直列MOSFETを使用しなければならない。MOSFETが耐えられる最大電圧は1350 V以上(1000 V最大入力電圧に反射電圧とノイズ音響によるサージ電圧)になりやすい。

2つのシリコンMOSFETではなく、1つの炭化ケイ素MOSFET(1700 Vタイプなど)だけを使用することができますが、どうやって駆動するのでしょうか。答えは私たちには専用のICが必要だということです。ROHM BD 7682 FJは炭化ケイ素MOSFETに対して市場での駆動最適化を行うICである。18 V誘導クランプ(危険電圧以上での動作を避ける)、14 Vアンダ圧ロック(UVLO)、ソフトスタート(共振パルスの低減に役立つ)、包括的な保護機能リストを有する。

电压图

スイッチング速度の高速化

IGBTトランジスタにとって、SiC MOSFETはより良い動的特性を持っており、これは転方向速度がより速いことを意味している。SiC MOSFETの転方向時間は瞬時ナノ秒であり、IGBTの転方向時間は数百ナノ秒である。このような状況の迅速な方向転換を実現するためには、より短い周期で全共振共振を提供しなければなりません。これは、共振ドライバにより高いピーク電流が必要であることを意味します。高さはどのくらいですか。図6に示すように、少なくともIGBTと同じ電流、またはそれ以上が必要である。

IGBT和SICMOSFET

より速い方向転換はまた、より高いdV/dtを意味する。GBTとSic MOSFETのスイッチング時間を比較した図7に示す例のように、dVとdtの両方を実験的に測定することができる。図示するように、コモンモード過渡摂動抵抗(CMTI)がナノ秒当たり100 V以上の共振ドライバを必要とする。

下位レベルのしきい値

IGBT MOSFETの閾値は約+5 V以上であり、炭化ケイ素MOSFETの場合、この技術は約+1または+2 Vの低い閾値を有することを可能にする(図8)。また、閾値電圧の負温度係数のため、閾値は温度の上昇とともに低下する。したがって、インダクタンスドライバの設計では、インダクタンス上のノイズが危険である可能性があるため、この点に注意する必要があります。ノイズを制御して寄生効果を除去するには?第1ステップはPCB設計に関連する。優れたPCB設計では、次のパラメータを最小限に抑える必要があります。

OUTからインダクタンスへコンデンサへの引き廻しインピーダンス、

GNDからソースへコンデンサへの引き廻しインピーダンス、

高電流経路の面積。下図では、経路上のカーブは赤色で表示され、経路上のカーブは緑色で表示されます。

IGBT

ステップ2はミラークランプに関連しています。典型的なハーフブリッジMOSFET誘導ドライバを考えてみましょう。ハーフブリッジの上側MOSFET(M 2:オフ)を開くと、下スイッチ両端に電圧変化VDSが発生する。これにより電流(I _ Miller)が発生し、下部MOSFETの寄生容量Cを充電する(図9)。この電流はミラー容量、インダクタンス抵抗器、およびCGS容量を経由する。VDSはローレベルからハイレベルへの切り替えが速い。インダクタンス抵抗器上の電圧降下が下部MOSFETの閾値電圧を超えると、寄生オン(「ミラー効果」という)が発生する(M 1オン)。

半桥米勒钳位

ミラー効果は2つの方法で回避できます。1つは、MOSFETを保持して負の電源(VEE)をオフにするためです。2つ目は、図10に示すようにアクティブミラークランプです。この解決策は、ドライバ回路に接続された最低電位の3番目の内部MOSFET(M 3)を追加することを含む。MOSFETがオフのとき、共振電圧が特定のレベル以下に低下すると、クランプスイッチが活性化され、図10に示すように、MOSFETが接地リバウンドイベントまたはdVDS/dt過渡状態にあることを保証するために、アクティブミラークランプは、誘導直接クランプを接地または負電源に到達させることによってVGSの増加を減少させることができる。

米勒钳位

第3ステップはインダクタンス電圧発振と関係がある。発振は正であってもよく、負であってもよく、それによってノイズが発生する。この場合、検証された解決策は、グリッド電極とソース電極の間に希釈剤を添加して、CGD/C GS部数を高めることである。

电感电振荡

キャパシタはスイッチング時間に影響を与えるため、ソリューションを慎重に評価する必要があります。上記のすべての考慮に基づいて、RohmはすでにSiC MOSFET専用誘導ドライバを発売している。BM 61 S 40 RFV誘導ドライバは、14.5 Vアンダ電圧ロック(ULVO)、22 V過電圧保護(OVP)、100 V/nsのCMTI、および4 Aの出力(製品ラインに計画が追加された将来のデバイスで)を有する。したがって、SiC MOSFET共振ドライバはすでに使用可能であり、初期テストに使用できるドキュメントと評価ボードのサポートがあります。

要するに、SiCパワーデバイスのゲートレベル駆動回路を最適化するには、すべての基礎はレイアウト最適化である。これは最初のステップであり、メルボルン寄生素子は印加された電圧に電流ノイズまたはスパイクを増加させる。第2ステップは、前述したように、すべての動作条件下で電圧レベルと共振信号ノイズを検査しなければならない第3ステップは、市販の専用デバイスを使用してSiC MOSFETを駆動することである。

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