SiC

Обзор драйвера для SiC-транзистора

Вы хотите выжать максимум тока из карбид-кремниевых транзисторов? Тогда Вам будет интересен обзор интегрального драйвера SIC1182K от компании Power Integrations.
337
В избранное

Выставка APEC 2019 показала, что массовое внедрение силовых нитрид-галлиевых транзисторов (GaN-транзисторов) только начинается, в то время как карбид-кремниевые транзисторы (SiC-транзисторы) уже широко применяются в современных приложениях. В то же время стоимость GaN-транзисторов, а также компонентов и печатных плат, которые необходимы для работы с этими ключами, все еще остается достаточно высокой. В космических приложениях, где требуется радиационная стойкость, использование GaN-ключей вполне оправдано, точно так же, как и в некоторых промышленных приложениях. Однако в 2019 году вы редко встретите GaN-транзисторы в недорогой серийно выпускаемой потребительской электронной технике.

Руководитель одной из компаний, производящих полупроводниковые компоненты, на спор предложил мне разобрать любое бытовое зарядное устройство или другое недорогое устройство и найти GaN-транзисторы. В итоге оказалось, что сейчас на рынке уже присутствуют недорогие зарядные устройства, в которых используются GaN-ключи. Таким образом, похоже, что GaN-транзисторы становятся мейнстримом. Тот же руководитель признал, что SiC-транзисторы и диоды также являются мейнстримом для серийной электроники.

SiC-транзисторы подходят для построения высокочастотных и высоковольтных источников питания. Хотя такие высоковольтные источники питания не требуются в бытовой электронике, однако они используются в инверторах солнечных батарей, электромобилях и, возможно, в зарядных устройствах Tesla Powerwall. В то же время SiC-транзисторы широко применяются в более дорогих промышленных системах, таких как сервоприводы, сварочные аппараты, источники бесперебойного питания (UPS), коммерческие электромобили и медицинские системы.

Новый интегральный драйвер для SiC-транзисторов

Майкл Хорнкамп, старший директор по маркетингу драйверов Power Integrations, отмечает: «Технология карбид-кремниевых МОП-транзисторов открывает двери для уменьшения размеров и веса, а также для снижения потерь в мощных преобразователях». Признавая высокий потенциал SiC-транзисторов, компания Power Integrations представила одноканальный изолированный интегральный драйвер SIC1182K (рис. 1). Стоимость одного драйвера в партиях от 10000 составляет $ 4,65.

SIC1182 – одноканальный полностью изолированный интегральный драйвер

Рис. 1. SIC1182 – одноканальный полностью изолированный интегральный драйвер

Для питания микросхемы необходим внешний источник питания 15 В.  На схеме присутствует множество резисторов и защитных диодов, которые используются для обеспечения необходимого рейтинга напряжения.

Для быстрой коммутации SiC-транзистора необходим значительный ток, обеспечивающий заряд и разряд емкости затвора. В частности, SIC1182K обеспечивает втекающий и вытекающий ток 8 A даже при температуре 125 °C. Это означает, что драйверы SIC1182K позволяют создавать инверторы с выходной мощностью до нескольких сотен киловатт. Скорость переключения драйвера достигает 150 кГц. Обратите внимание, что выходная мощность SIC1182K должна ограничиваться при увеличении температуры (рис. 2). Чем выше скорость переключений и чем больше емкость затвора SiC-транзистора, тем больше будет нагреваться микросхема SIC1182K.

При увеличении температуры выходная мощность SIC1182K должна ограничиваться. 

Рис. 2. При увеличении температуры выходная мощность SIC1182K должна ограничиваться. При этом необходимо учитывать не только температуру окружающей среды, но и саморазогрев микросхемы.

Для обеспечения изоляции Power Integrations использует свою фирменную технологию FluxLink. Эта технология предполагает организацию магнитной связи для двунаправленной передачи сигналов. FluxLink позволяет отказаться от медленных оптопар, которые подвержены старению и характеризуются ухудшением параметров с течением времени. FluxLink  также исключает необходимость использования емкостных или кремниевых изоляторов, что, по утверждению компании, значительно повышает надежность.

Power Integrations утверждает, что рейтинг изоляции SIC1182K составляет 1200 В, а сама микросхема оказывается устойчивой к воздействию внешних магнитных полей. Однажды один мой знакомый инженер рассказал историю о том, как он отлаживал работу стойки с оборудованием. Суммарный питающий ток, протекавший в оборудовании, составлял сотни Ампер. Поставщик стойки организовал укладку силовых кабелей внутри стойки таким образом, что магнитные поля, создаваемые постоянными токами, были столь сильны, что приводили к переключениям катушек сигнальных реле. Мораль истории достаточно проста – если Вы имеете дело с магнитными полями в мощном приложении, то будьте максимально бдительны и аккуратны.

В дополнение к устойчивости к магнитным полям SIC1182K обеспечивает такие функции защиты, как контроль тока, мониторинг выхода силового транзистора из насыщения и улучшенный режим активного ограничения. SIC1182K имеет защиту от просадок напряжения питания (UVLO) на первичной и вторичной стороне. Задержка срабатывания цепей отключения микросхемы (shutdown circuits) составляет всего 5 мкс.

Следите за зазорами и путем тока утечки

При трассировке печатных плат для высоковольтных схем необходимо внимательно следить за соблюдением зазоров между высоковольтными проводниками. Для интегральных микросхем важным является такой параметр, как путь тока утечки (creepage), которой характеризует зазор между ближайшими токопроводящими контактами. Корпус SIC1182K обеспечивает зазор и путь тока утечки более 9,5 мм. Для его изготовления используется материал с максимальным сравнительным индексом трекингостойкости (CTI) – CTI600 в соответствии с международным стандартом IEC60112.

Удобная распиновка микросхемы позволяет обходиться двухслойной печатной платой (рис. 3). Использование двухслойной платы имеет смысл с точки зрения стоимости, но, разумеется, разработчик может использовать и четырехслойные печатные платы. С точки зрения электромагнитной совместимости всегда хорошо иметь дополнительный слой земли и как можно меньше переходных отверстий. Некоторые разработчики перед выводом платы в массовое производство «выворачивают ее наизнанку»: помещают сигнальные слои внутри, а питание и землю - снаружи. Это превращает печатную плату в камеру Гаусса, которая экранирует сигнальные провода и предотвращает излучение электромагнитных помех.

корпус SIC1182K

Рис. 3. Корпус SIC1182K

Производитель позаботился о том, чтобы корпус SIC1182K обеспечивал значительный путь тока утечки и достаточные зазоры, а также имел удобную распиновку, которая упрощает компоновку платы

Разработчик обязан помнить о необходимости обеспечения электромагнитной совместимости для любой цепи с быстрыми сигналами. SiC-транзисторы являются источниками быстрых сигналов с высокой скоростью изменения тока di/ dt, а это именно то, что вызывает значительные помехи, выбросы и другие проблемы. Убедитесь, что проводники и контура на печатной плате имеют минимальную длину. Даже толстые медные шины имеют паразитную индуктивность, которая может привести к генерации мощных выбросов напряжения, способных вывести ваше устройство из строя.

Остерегайтесь выбросов напряжения

Чтобы отследить быстрые переходные процессы, потребуется быстрый осциллограф. Осциллограф с полосой 100 МГц не всегда адекватно показывает происходящее. Предпочтительным является осциллограф с полосой 400 МГц. Разумеется, для нормальной работы измерительный прибор должен быть правильно настроен.

Я работал над высоковольтным источником питания для ламп бегущей волны (ЛБВ) блока радиолокационных помех для истребителей. Для получения выходного напряжения использовался стек из МОП-транзисторов. При наладке оборудования техник столкнулся с неожиданной ситуацией,  когда транзисторы начали взрываться «безо всякой причины». Дело в том, что для контроля напряжения на затворе он использовал медленный осциллограф. Я посоветовал использовать осциллограф с шириной полосы пропускания 400 МГц. После смены измерительного прибора на затворе были обнаружены осцилляции с резонансной частотой около 500 МГц. Для решения проблемы потребовалось выровнять длину затворных цепей отдельных транзисторов и внедрить в цепи затворов последовательные низкоомные резисторы, чтобы ослабить колебания. К сожалению, расплатой за это стало увеличение времени включения и выключения. Как часто это бывает  с аналоговой техникой – без компромисса обойтись не удалось.

Для наблюдения за напряжениями на затворе в комплекте с осциллографом желательно иметь активный щуп (FET oscilloscope probe). Обычный щуп имеет емкость более 7 пФ, и на той скорости, которую может обеспечить SIC1182K, это становится существенной дополнительной нагрузкой. Емкость активного щупа составляет 2 пФ или даже меньше. Тем не менее, Вы должны учитывать, что щуп влияет на работу схемы.

Блок-схема SIC1182K имеет дополнительный бутстрепный источник питания, который используется для формирования управляющего напряжения, превышающего уровень VISO, и необходимого для управления затвором (рис. 4). Это напряжение поступает на вывод VGXX, для его стабилизации может использоваться дополнительный внешний керамический конденсатор. На рисунке также представлена схема двунаправленного обмена сигналов (технология FluxLink) и различные схемы защиты.

На блок-схеме SIC1182K изображена высоковольтная изоляция, а также схемы расширенной защиты ИС

Рис. 4. На блок-схеме SIC1182K изображена высоковольтная изоляция, а также схемы расширенной защиты ИС

Технология изоляция FluxLink предполагает двунаправленный обмен данными.

Подробный анализ схемы включения

На рис. 5 представлена подробная схема выходного каскада типовой схемы включения SIC1182K. Обратите внимание на цепочки резисторов RCEX и диодов DTVSX, которые необходимы для достижения требуемого рейтинга напряжения. В высоковольтных цепях типоразмер резисторов определяется не только выделяемой мощностью, но и зазорами, необходимыми для обеспечения рейтинга напряжения. Типоразмер 1206 имеет гораздо более высокое номинальное напряжение, чем 0805. То же самое относится и к помехоподавляющим диодным цепочкам – убедитесь, что используемый вами стек имеет достаточное рабочее напряжение.

Для управления SiC-транзистором потребуется множество дополнительных компонентов

Рис. 5. Для управления SiC-транзистором потребуется множество дополнительных компонентов

В данной схеме отображены все резисторы и диоды, которые ранее не были показаны на рис. 1.

Также стоит отметить, что на схеме присутствует источник напряжения VTOT. Этот источник напряжения 15 В необходим для питания вторичных внутренних цепей драйвера и должен быть реализован разработчиком самостоятельно. Рейтинг изоляции для данного источника питания должен быть, по крайней мере, таким ??же, как у SIC1182K, то есть соответствовать требованиям IEC60664-1 для оборудования с рабочим напряжением 1000 В и требованиям IEC61800-5-1 для приводов электродвигателей. Power Integrations работает над получением рейтинга 5 кВ(ac) в течение 1 минуты согласно требованиям UL 1577, а также согласно VDE0884-10. Вы должны убедиться, что внешний изолированный 15-вольтовый источник питания имеет достаточное быстродействие для обеспечения быстрых токов, требуемых для нормальной работы драйвера. Не забудьте установить развязывающий конденсатор CS2 максимально близко с микросхемой, чтобы обеспечить минимум помех.

В настоящее время интегральные драйверы SIC1182K поставляются в пеналах по 48 штук (без суффикса), а также в ленте и катушках по 1000 штук (суффикс TL). 

Референсная плата RDHP-1901

 Для быстрого ознакомления с возможностями интегральных драйверов SIC1182K предлагается использовать референсную плату RDHP-1901, внешний вид которой представлен на рис. 6.

Референсная плата RDHP-1901

Рис. 6. Референсная плата RDHP-1901

Данная плата предназначена для работы с силовыми полумостовыми Si-модулями в стандартных 62-мм корпусах. Плата содержит два канала для управления мощными транзисторами и два изолированных источника питания, построенных на базе двухканального трансформатора SIT1253I (рис. 7).

Принципиальная схема референсной платы RDHP-1901

Рис. 7. Принципиальная схема референсной платы RDHP-1901

Источник: www.electronicdesign.com

Производитель: Power Integrations Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
SIC1182K
SIC1182K
Power Integrations Inc.
Арт.: 3419656 ИНФО
Поиск
предложений
Up to 8 A Single Channel SiC MOSFET Gate Driver Providing Advanced Active Clamping and Reinforced Isolation Up to 1200 V. Package - K: eSOP-R16B.
SIC1182K
-
Поиск
предложений
RDHP-1901
RDHP-1901
Power Integrations Inc.
Арт.: 3419662 ИНФО
Поиск
предложений
Референсная плата для быстрого ознакомления с возможностями интегральных драйверов SIC1182K.
RDHP-1901
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()