Наши партнеры ArtmMisto
Поява більш 10 років тому комерційних діодів Шотткі на основі карбіду кремнію (SiC Шотткі) дозволило значно поліпшити характеристики таких пристроїв, як коректори коефіцієнта потужності (PFC) і інвертори приводів. Цього вдалося досягти завдяки відсутності у SiC-приладів заряду зворотного відновлення не основних носіїв і відповідного зниження рівня комутаційних втрат, властивих традиційним PiN-діодів. Широке поширення SiC-діодів Шотткі було кілька утруднено через проблеми з надійністю, пов'язаних з обмеженнями по параметру dV / dt. Зокрема, прилади з низькою стійкістю до dV / dt виявилися більш схильними до відмов при впливі великих пускових струмів.
Початкові дослідження цієї проблеми щодо SiC-діодів Шотткі з напругою 600 В виявили, що верхня межа dV / dt у них становить 55-60 В / нс. Оскільки в цих дослідах брали участь SiC-діоди, вироблені не компанією Wolfspeed, то подальші дослідження проводили фахівці Wolfspeed на власних компонентах [1, 2]. Їх аналіз показав, що діоди Wolfspeed можуть витримувати швидкість включення 75 В / нс і виключення 100 В / нс протягом більше 100 тис. Циклів без руйнування. Кінцевим результатом цих та інших досліджень стало вимога для виробників елементної бази вказувати стійкість до dV / dt як критерій надійності SiCдіодов Шотткі.
У даній роботі дано опис швидкісного високо вольтного генератора імпульсів, що використовується для оцінки стійкості карбідокремнієвих діодів компанії Wolfspeed до dV / dt. Оскільки діоди Wolfspeed не виходили з ладу під час попереднього тестування з використанням типових параметрів, для визначення їх граничних властивостей необхідно розробити більш швидкодіючий генератор імпульсів. Він повинен бути в змозі піддавати тестовані прилади набагато більш високих значень dV / dt, ніж спостерігаються при нормальній експлуатації силових перетворювачів. В оригінальних експериментах, які виконуються Wolfspeed, час перемикання становить приблизно 5 нс. Генератор з часом перемикання, що наближається до 1 нс, може бути виготовлений з використанням доступних в даний час лавинних транзисторів і транзисторів Wolfspeed C2M SiC MOSFET. Розробка схеми і конструкції, а також вимір характеристик високошвидкісного генератора імпульсів будуть описані разом з оцінкою стійкості до dV / dt SiC-діодів Шотткі з напругою 600 і 1200 В
Умови експлуатації
Стійкість до впливу dV / dt є однією з вимог, що встановлюють обмеження швидкості перемикання в режимі «жорсткої» комутації. У цьому можна переконатися на прикладі коректора коефіцієнта потужності (PFC, рис. 1), де застосування SiC-приладів стає все більш популярним. Гранична швидкість перемикання MOSFET М1 обмежена максимальним значенням dV / dt бустерного діода D1.
В даному прикладі втрати включення М1 досліджуються для двох варіантів діодів з лімітом dV / dt на рівні 50 і 100 В / нс. Перший етап аналізу передбачає використання ідеальних компонентів (без урахування паразитних параметрів) і ідеального лінійного режиму комутації. Розглянемо наступне початковий стан: транзистор М1 вимкнений, ток 20 А протікає через дросель L1, що призводить до відкривання діода D1 та проходженню струму в навантаження RLOAD. Напруга на конденсаторі С2 складає 800 В. Коли MOSFET М1 включається, D1 миттєво виявляється назад зміщеним, а відноситься до нього обмеження dV / dt (50 В / нс або 100 В / нс) задає максимальну швидкість наростання напруги «стік-витік» (VDS ) dV / dt силового транзистора.
Епюри напруги «стік-витік» VDS і струму стоку ID MOSFET показані на рис. 2 для двох значень dV / dt (цей параметр має від'ємне значення, оскільки напруга падає). Передбачається, що час спаду струму однаково для обох випадків. Миттєва потужність силового транзистора (p = I × V) і енергія перемикання (E = ∫P × dt) розраховані на основі отриманих даних, результати представлені на рис. 3.
Пікова миттєва потужність дорівнює для обох розглянутих випадків, вона також однакова в ході наростання струму в процесі комутації (t = 5-10 нс). Однак час, який потрібен для того, щоб потужність впала до нульового рівня для випадку 50 В / нс, виявляється в два рази більше. Енергія перемикання Esw при наростанні струму (від 5 до 10 нс) однакова для обох випадків. Основна відмінність величини Esw спостерігається під час спаду напруги (> 10 нс). Енергія перемикання для варіанта 50 В / нс в цьому ж часовому інтервалі в два рази вище, ніж при dV / dt = 100 В / нс.
Очевидно, що така різниця впливає на загальне значення енергії динамічних втрат. Величина Esw_tot для випадку 50 В / нс становить 168 мкДж в порівнянні з 104 мкДж, т. Е. На 61,5% більше, ніж при dV / dt = 100 В / нс. Відзначимо, що комутаційні втрати визначаються як добуток частоти на енергію перемикання. Істотна різниця значень Esw для цих двох випадків ілюструє необхідність забезпечення максимальної стійкості до dV / dt для мінімізації комутаційних втрат, підвищення ефективності системи і навіть можливості роботи на більш високих частотах.
Оцінка стійкості до dV / dt вимагає формування дуже швидких високовольтних імпульсів. Для цього використовуються різноманітні прилади, наприклад генератори на основі реле, зволожених ртуттю [3], і лавинних транзисторів [4-12]. Ртутні реле історично використовувалися для створення екстремально швидких фронтів. На жаль, для формування високовольтних імпульсів, необхідних для даних досліджень, потрібна розробка реле спеціальної конструкції. Другий широко використовуваний підхід пов'язаний із застосуванням біполярного транзистора (BJT) в лавину режимі. Це відбувається, коли напруга «колектор-емітер» перевищує граничне значення VCEO, і транзистор переходить в стан вторинного пробою.
При обмеженні часу переходу транзистора в режим вторинного пробою він може бути використаний як дуже швидкий високовольтний ключ з низьким рівнем джиттера. Цей спосіб підходить для тестування стійкості потужних SiC-приладів до dV / dt, проте характеристики і надійність звичайних біполярних транзисторів не гарантують їх тривалу роботу в такому режимі. Існують так звані лавинні BJT-прилади, спеціально розроблені для використання в стані вторинного пробою. Генератори на основі лавинних транзисторів широко використовуються для управління осередками Поккельса, фотохронографи лазерами та ін. Вони є відмінним вибором і для справжніх досліджень.
Для формування високовольтних імпульсів лавинні транзистори з'єднуються послідовно. Така ж схема була реалізована і в цій роботі. Характеристики генератора імпульсів, показаного на рис. 4, оцінювалися на активному навантаженні 200 Ом. Напруги вимірювалися за допомогою високовольтного пробника, підключеного безпосередньо до гнізда BNC, з адаптером, що дозволяє усунути індуктивність заземлюючого проводу. Епюри були отримані за допомогою цифрового осцилографа з частотою дискретизації 350 МГц (час наростання - 1 нс) і пробника з частотою 400 МГц, 100V1 (час наростання - 900 пс). Загальний час наростання сигналу, обумовлене частотними характеристиками осцилографа і пробника, становить 1,35 нс.
У схемі використані три послідовних транзистора з максимальним значенням VCEO = 40 В. В усталеному режимі роботи вхідна напруга 400 В ділиться порівну, в результаті чого напруга «колектор-емітер» VCE на кожному транзисторі досягає 133 В, що знаходиться дуже близько до лавинному станом. Схема працює в такий спосіб: на вхід подається імпульс управління, що викликає лавинний пробій транзистора Q3. Далі внаслідок «ефекту доміно» відбувається розвиток лавинного процесу в двох інших транзисторах. Після цього конденсатор С1, підключений до верхнього терміналу схеми, розряджається протягом менш ніж 2 нс. Результатом описаного процесу є формування негативного імпульсу з високим значенням dV / dt на навантажувальними резисторами RLOAD. Форма вихідного імпульсу з часом наростання 1,35 нс представлена на рис. 5.
Тестування стійкості діода SiC Шотткі до dV / dt
Наявність атестованого високошвидкісного генератора імпульсів дозволяє протестувати стійкість до dV / dt діодів Шотткі Wolfspeed C3D03060A (600 В, 3 А). Мета випробувань полягала у використанні нової вимірювальної установки для подачі дуже швидкого імпульсу на діод C3D03060A і перевірки можливого рівня обмеження по dV / dt. Подібна процедура дозволяє провести більш надійну оцінку серії діодів C3D, ніж це було зроблено в попередніх дослідженнях. Лавинний генератор імпульсів створений на основі послідовного з'єднання кремнієвих біполярних транзисторів 2N5551 (VCEO_max = 160 В) для досягнення більш високих значень перехідних напруг. В ході перевірки навантажувальний тестовий резистор 200 Ом (RLOAD) був замінений на випробуваний діод DUT (Device Under Test), а амплітуда випробувального імпульсу була встановлена на рівні 800 В. Схема установки показана на рис. 6, результати тесту - на рис. 7.
Базове значення dV / dt для діода з напругою 600 В становить 50 В / нс [13]. Це приблизно в три рази вище, ніж показали попередні вимірювання, виконані Wolfspeed. Як і раніше, в ході цих випробувань не відбулося жодної відмови. Отримані дані наочно демонструють стійкість діода C3D03060A і всього сімейства C3D до dV / dt. Для підтвердження результатів випробувань необхідно провести подальші тести, однак проведені вимірювання вже показали, що діоди Wolfspeed Шотткі C3D здатні витримувати більше 300 В / нс. Наступним логічним кроком є проведення аналогічних випробувань діодів Wolfspeed сімейства C4D з робочою напругою 1200 В, щоб підтвердити їх стійкість до dV / dt.
Як випробуваного приладу (DUT) для цих тестів був обраний діод C4D10120A (1200 В, 10 А). Схема випробувальної установки показана на рис. 8. Тестове напруга VDD в ній встановлено на рівні 1000 В. Слід зазначити, що схема генератора імпульсів повинна бути змінена, для того щоб врахувати нову величину VDD, а також той факт, що номінальна напруга VRRM = 1200 В у діода C4D10120A вдвічі більше, ніж у C3D03060A.
Два кремнієвих транзистора 2N5551 замінені на один Wolfspeed SiC MOSFET C2M0080120D. Він швидко включається за допомогою імпульсу, що подається на що залишився в схемі лавинний транзистор 2N5551. Відкривання SiC MOSFET-ключа викликає розряд підключеного до верхньої клеми SMD-конденсатора на загальний провід, в результаті чого назад зміщений імпульс 1000 В прикладається до випробуваному діоду DUT. Вимірювання напруги проводилося за допомогою нізкоімпедансного резистивного подільника, щоб мінімізувати брязкіт.
Як показано на рис. 9, виміряний зворотне значення dV / dt становить 490 В / нс. Це приблизно в шість разів вище типового значення 80 В / нс, що приводиться для SiC JBS-діодів з напругою 1200 В [15]. В ході випробувань не було виявлено жодної відмови. Отримані результати наочно демонструють стійкість до dV / dt JBS-діодів C4D10160A і дають чітке підтвердження надійності всього сімейства C4D.
висновок
Стійкість SiC-діодів Шотткі до впливу dV / dt є проблемою для багатьох розробників. Мета даної роботи полягала в створенні високошвидкісного генератора імпульсів, здатного поставити під тестоване слуховий апарат вразливий імпульсу з показником dV / dt, що значно перевищують реальні значення, що необхідно для оцінки надійності SiC-діодів Шотткі Wolfspeed сімейств C3D і C4D. Діоди Wolfspeed продемонстрували стійкість до dV / dt, в шість разів перевищує загальнопромислові показники. Виміряні в ході тестів значення dV / dt склали 295 і 490 В / нс відповідно. Важливо відзначити, що в ході випробувань не відбулося жодної відмови, а значить, фактичні можливості діодів Wolfspeed перевищують виміряні значення. Під час написання статті граничні показники dV / dt для цих пристроїв залишаються невідомими.
Переклад:
Євген Карташов;
Андрій Лебедєв
[email protected]
