Węglik krzemu kontra krzem

Sterownik bramek tranzystorów SiC MOSFET

Sterowniki bramek tranzystorów SiC MOSFET, na przykład sterowniki z linii NCx51705 firmy onsemi, zapewniają wyższe napięcie sterujące niż sterowniki dla tranzystorów Si MOSFET. Aby całkowicie włączyć węglikowo-krzemowy tranzystor MOSFET, potrzebne jest napięcie bramki od 18 do 20V. Dla porównania, aby całkowicie włączyć krzemowy tranzystor MOSFET, wystarczy napięcie poniżej 10V. Ponadto węglikowo-krzemowe tranzystory MOSFET wymagają napięcia sterującego bramkami od -3 do -5V podczas wyłączania urządzenia. Projektanci mogą wykorzystać niskoprofilowy, pojedynczy sterownik NCP51705MNTXG o wysokiej prędkości i natężeniu 6A zoptymalizowany pod kątem węglikowo-krzemowych tranzystorów MOSFET (ilustracja 5). Sterownik NCP51705MNTXG dostarcza maksymalne znamionowe napięcie zasilania, zapewniając niskie straty przewodzenia oraz wysokie prądy szczytowe podczas włączania i wyłączania w celu zminimalizowania strat przełączania.

Ilustracja 5: uproszczony schemat przedstawiający dwa układy scalone sterownika NCP51705MNTXG (po środku z prawej strony) sterujące dwoma tranzystorami SiC MOSFET (po prawej) w topologii półmostkowej. (Źródło ilustracji: onsemi)

Projektanci mogą użyć zintegrowanej pompy ładunku do wygenerowania wybieranej przez użytkownika szyny napięcia ujemnego, aby zapewnić większą niezawodność, lepszą odporność dV/dt i szybsze wyłączanie. W izolowanych projektach szyna 5V z możliwym dostępem z zewnątrz może zasilać stronę wtórną cyfrowych lub szybkich optoizolatorów. Funkcje zabezpieczeń w sterowniku NCP51705MNTXG obejmują wyłączanie termiczne w oparciu o temperaturę złącza obwodu sterownika oraz monitorowanie blokady pracy przy zbyt niskim napięciu.

Zagadnienia dotyczące płytki ewaluacyjnej i sterownika bramek SiC

Aby przyspieszyć proces ewaluacji i projektowania, projektanci mogą użyć płytki ewaluacyjnej NCP51705SMDGEVB przeznaczonej dla urządzenia NCP51705 (ilustracja 6). Płytka ewaluacyjna zawiera sterownik NCP51705 i wszystkie niezbędne układy sterujące, w tym wbudowany izolator cyfrowy. Daje ona możliwość przylutowania dowolnego tranzystora węglikowo-krzemowego (SiC) lub krzemowego (Si) MOSFET w obudowie TO-247. Przedstawiona płytka ewaluacyjna jest przeznaczona do przełączania zasilania po stronie niskiej lub wysokiej. W sterowniku typu „totem pole” można skonfigurować dwie takie płytki ewaluacyjne (a nawet więcej).

Podczas korzystania ze sterownika bramek NCP51705 w połączeniu z tranzystorem SiC MOSFET (ilustracja 7) ważna jest minimalizacja pojemności i indukcyjności pasożytniczej płytki drukowanej. Zagadnienia, które trzeba uwzględnić w układzie płytki drukowanej:

• Sterownik NCP51705 powinien znajdować się jak najbliżej tranzystora SiC MOSFET. W szczególności należy zadbać o to, aby ścieżki pomiędzy kondensatorami VDD, SVDD, V5V, pompy ładunku a tranzystorem MOSFET były krótkie.
• Ścieżka między VEE i PGND powinna być możliwie najkrótsza.
• Aby uniknąć nieprawidłowego działania, które może wynikać ze sprzężenia zakłóceń, konieczne jest zapewnienie separacji między ścieżkami o wysokich dV/dt a wejściem sterownika i DESAT.
• W przypadku projektu przeznaczonego do wysokich temperatur między odsłoniętym polem a warstwą zewnętrzną należy zastosować przelotki termiczne, aby zminimalizować impedancję cieplną.
• Do OUTSRC, OUTSNK i VEE należy stosować szerokie ścieżki.

Ilustracja 7: Zalecany układ płytki drukowanej dla sterownika NCP51705 pozwalający zminimalizować indukcyjność pasożytniczą i pojemność na potrzeby sterowania tranzystorami SiC MOSFET. (Źródło ilustracji: onsemi)

Podsumowanie

Węglik krzemu (SiC) odgrywa ważną rolę i pomaga projektantom sprostać potrzebom rosnącej liczby zróżnicowanych zastosowań w infrastrukturze energetycznej. Projektanci mogą teraz korzystać z urządzeń wykonanych z węglika krzemu do tworzenia bardziej wydajnych projektów konwersji mocy charakteryzujących się wysokim napięciem, natężeniem prądu i dużą szybkością działania, uzyskując mniejsze rozmiary rozwiązań oraz większą gęstość mocy. Jednak, aby uzyskać maksymalne korzyści z projektowania z zastosowaniem węglika krzemu, ważny jest wybór optymalnego typu obudowy.

Niezależnie od tego, czy wybierzemy obudowę dyskretną, inteligentny moduł zasilania (IPM) czy zintegrowany moduł zasilania (PIM), wybór będzie się wiązać z pewnymi kompromisami pod względem parametrów działania, czasu wprowadzania na rynek i kosztów. Ponadto w przypadku urządzeń dyskretnych lub zintegrowanych modułów zasilania (PIM) wybór sterownika bramek SiC oraz optymalnego układu płytki drukowanej ma kluczowe znaczenie z punktu widzenia niezawodnej i wydajnej pracy układu.

Rekomendowane artykuły

1. Projektowanie tranzystorów SiC MOSFET w celu poprawy sprawności przemienników trakcyjnych w pojazdach elektrycznych
2. Zapewnienie bezpiecznych i efektywnych wdrożeń modułowych bateryjnych systemów magazynowania energii (BESS) z użyciem wtykowych złączy biegunowych do baterii

Autor: Jeff Shepard

Kontakt w Polsce

Arkadiusz Rataj

Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey

Digi-Key Electronics Germany

0048 696 307 330

arkadiusz.rataj@digikey.com

poland.support@digikey.pl