تحسينات في الأداء ونطاق الجهد لدوائر SiC MOSFETs

تكتسب أجهزة كربيد السيليكون (SiC) قبولًا واسع النطاق في التطبيقات الصناعية وتطبيقات السيارات مثل عاكس الجر والشاحن الموجود على السيارة الكهربائية (EV)، والبنية التحتية للشحن السريع للمركبات الكهربائية، ومحركات المحركات، والخلايا الكهروضوئية، وتخزين الطاقة، ومحولات الحالة الصلبة، وما إلى ذلك. تعد التحسينات المستمرة في أداء هذه الأجهزة وتكلفتها أمرًا ضروريًا لنموها في هذه التطبيقات وغيرها من التطبيقات الجديدة. في هذه المقالة، سنسلط الضوء على مزايا الأداء التي تم الحصول عليها باستخدام CoolSiC الذي تم إصداره مؤخرًا MOSFETs G2 من Infineon Technologies، والتي تتضمن الآن مجموعة أوسع من أول 400 SiC MOSFET بتصنيف V في الصناعة.

كول سي سي موسفيت جي2

إنفينيون CoolSiC تتميز الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs) بأحدث تكنولوجيا بوابة الخندق التي تتيح العديد من المزايا مثل الموثوقية الفائقة لأكسيد البوابة بالإضافة إلى تحسين التوصيل ومقاييس فقدان التبديل. تشتمل عائلة G1، التي تم تقديمها لأول مرة في عام 2017، على العديد من الميزات التي تمنحها مزايا أداء تنافسية في تطبيقات التبديل الصعب والتحويل الناعم وتطبيقات التحميل الجزئي. تتميز المنصة القوية والموثوقة بنطاق جهد البوابة الواسع (VGS)، والجهد العالي (Vth) الذي يمنع التشغيل الطفيلي حتى عند جهد إيقاف البوابة 0 فولت، وتشغيل الصمام الثنائي القوي للجسم في ظل تخفيف صعب.

يعد معدل الموثوقية الميدانية للعيوب لكل مليون (DPM) على ملايين مفاتيح الطاقة SiC، والتي تشمل الأجهزة المنفصلة ووحدات الطاقة، أفضل حتى من ذلك الذي يظهر على أجهزة Si الخاصة بهم. مع زيادة كثافة الطاقة، يمكن أن تلعب عبوة الجهاز دورًا حيويًا في أدائه العام. تقاطع حالة المقاومة الحرارية (R_{عشر، جي سي}) يمكن عادةً ضبط نطاق الطاقة الأقصى للجهاز للارتفاع المسموح به في درجة حرارة الوصلة (T_vj) ، ويترجم معدل ارتفاع أقل في درجة الحرارة هذه إلى تحسين الكفاءة في ظل ظروف التحميل الجزئي بسبب الارتفاع الأصغر المقابل في مقاومة الجهاز على الحالة R_{DS (على)}.

للحصول على قدرة طاقة معينة، يمكن استخدام Rth وjc المحسنة على الحزمة أو الوحدة لتبسيط عملية التبريد وتحقيق فوائد التكلفة. يمكن أن تكون موثوقية الجهاز محدودة عدة مرات بسبب العبوة. يتمتع SiC، على وجه الخصوص، بمعامل Young أعلى من Si، والذي يمكن أن يخلق ضغطًا ميكانيكيًا حراريًا على وصلات اللحام. لتخفيف الضغط والضغط على قالب SiC، والذي يمكن أن يؤدي إلى انفصال القالب عن إطار الرصاص، يتم استخدام CoolSiC تستخدم عائلات G1 وG2 تقنية التوصيل البيني لحزمة .XT الخاصة بشركة Infineon. يتضمن ذلك لحام الانتشار من أجل ربط القالب القوي للغاية، مما لا يحسن الموثوقية فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين R_ذ.

تعتمد عائلة G2 التي تم تقديمها في وقت سابق من هذا العام على أساس تقنية G1. يؤدي تقليص الخلية إلى تحسين أداء السعر، بينما تعمل بعض الميزات المضافة على تحسين بعض ميزات الجهاز الرئيسية. ويرد أدناه ملخص للتحسينات:

• تم تقليل فقدان الطاقة بنسبة 5-20% تقريبًا مقارنة بظروف تحميل المستخدم النموذجية
• ر_{عشر، جي سي} تخفيض بنسبة 12% من خلال التحسينات في تقنية .XT
• رقم واحد R_{DS (على)} الأجهزة متاحة الآن بجهد 650 فولت و1200 فولت
• الحد الأقصى الواسع العابر V_ع النطاق إلى -10 فولت – +25 فولت
• دارة قصيرة مضمونة تتحمل زمنًا لا يقل عن 2 ميكروثانية وتشغيل الزائد إلى T_vj 200 درجة مئوية، للأجهزة 1200 فولت، ضمن الشروط المذكورة في ورقة البيانات
• حافظ على موثوقية عالية لأجهزة G1، مع معدلات DPM منخفضة جدًا

يظهر الشكل 1 مقارنة أداء شكل الجدارة (FOM) لجهاز 1200 V G2 مقابل G1 بالإضافة إلى الأجهزة المنافسة الأخرى 1200 V SiC. يوفر G2 مزايا كفاءة كبيرة في التبديل الصعب، والتبديل الناعم، والحمل الجزئي شروط. انخفاض إجمالي شحنة البوابة Q_ز لR معين_{DS (على)} يؤدي أيضًا إلى انخفاض فقدان طاقة محرك البوابة.

يوضح الشكل 2 تحسين الأداء الذي تم الحصول عليه من تقنية التوصيل البيني لحزمة .XT المطبقة على عائلة G2. كما هو موضح، فإن تحسين R_{عشر، جي سي} تتيح عائلة G2 زيادة بنسبة 6-7٪ في التيار أو زيادة تصل إلى 50٪ في تردد التبديل لـ T معين_vj أو تمكن من الحصول على درجة حرارة أكثر برودة بحوالي 5 ك لنفس الطاقة.

يتراوح الإصدار الحالي لعائلة G2 من 400 فولت إلى 1200 فولت في مجموعات متنوعة تشمل TOLL، D²PAK-7، TO-247-3، TO-247-4 تبريد الجانب السفلي، بالإضافة إلى حزمة تبريد الجانب العلوي TOLT، والتي تمت مناقشة مزاياها أدناه. مجموعة الطاقة الهجينة من فئة السيارات الوحدات التي تستخدم CoolSiC يتم أيضًا إنتاج أجهزة 750 فولت و1200 فولت G2 بكميات كبيرة لاستخدامها في السيارات الهجينة أو الكهربائية بالكامل وتطبيقات المحركات الأخرى.

حزم تبريد الجانب العلوي

يجمع SMD المبرد من الجانب العلوي (TSC)، مثل حزمة TOLT، بين فوائد الأداء الحراري القوي للحزم من خلال الفتحات مثل TO-247 مع إمكانية المعالجة الآلية بالكامل المتوفرة مع حزم SMD المبردة من الجانب السفلي. الميزة الرئيسية الأخرى هي أنه نظرًا لأن وسادة التصريف أصبحت الآن في الأعلى، فإن الجزء السفلي المعزول من العبوة يسمح بوضعها على PCB قياسي يتضمن أيضًا دوائر متكاملة رقمية ومحركات البوابة ومكونات مغناطيسية أخرى.

يؤدي هذا إلى التخلص من لوحة IMS التي يمكن استخدامها لجهاز الطاقة المبرد السفلي القياسي وبالتالي يبسط التصميم العام، كما هو موضح في الشكل 3 لتطبيق محرك سيرفو. وبصرف النظر عن مزايا التكلفة، يمكن أن يؤدي انخفاض المحاثات الشاردة إلى مزايا أداء النظام. طرح المزيد من TSC G2 CoolSiC تم التخطيط للمنتجات في المستقبل القريب، بما في ذلك 650 فولت TSC Thin-TOLL 8×8، 1200 فولت Q-DPACK نصف جسر، وQ-DPACKs عبارة عن مجموعة من R المختلفة_{DS (على)}‘س.

كول سي سي جديد 400 فولت G2 MOSFETs

تحتاج مصادر طاقة الخادم بشكل متزايد إلى مستويات أعلى من الطاقة. من المتوقع أن تتطلب وحدات معالجة الرسوميات المتقدمة للتدريب على الذكاء الاصطناعي (AI) ما يصل إلى 3 كيلووات لكل معالج بحلول نهاية العقد. ومع وجود وحدات معالجة رسوميات متعددة لكل حامل خادم يعمل بالذكاء الاصطناعي، فإن تصنيف طاقة وحدة إمداد الطاقة (PSU) يتحرك نحو 8 كيلو واط وأكثر.

جهاز CoolSiC الذي تم طرحه حديثًا يعتبر MOSFET 400 V G2 مناسبًا بشكل مثالي لتلبية متطلبات الكفاءة وكثافة الطاقة المستقبلية عند استخدامه في طبولوجيا الواجهة الأمامية النشطة متعددة المستويات (AFE) مثل PFC ذو المكثف الطائر.

يؤدي تحسين التوصيل وفواقد التبديل مقارنة بنظيراتها ذات الجهد 650 فولت إلى تحسينات في الكفاءة تصل إلى 0.3%. يساعد منحنى RDS(on) vs Tvj، مع زيادة من 25 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية بنسبة 11% فقط، على تحسين تكلفة/كفاءة النظام، وهو أمر مهم بشكل خاص عند النظر في ملفات تعريف التحميل القصوى لخادم AI. وفي الوقت نفسه، تم تحسين الصمام الثنائي للجسم بشحنة استرداد عكسية منخفضة (Q_الاب) الذي يسمح بتخفيف قوي حتى في ظل ظروف di/dt العالية التي تظهر في تطبيقات SMPS، مع تبديل الأشكال الموجية التي تظهر اعتماداً ضئيلاً على كل من درجة حرارة التشغيل وتيار الحمل. تم اختبار الأجهزة بنسبة 100% ضد الانهيار الجليدي.

يشمل الطرح الأولي كلا من D²حزم PAK و TOLL مع R_{DS (على)}تتراوح من 11mΩ إلى 45mΩ. مقاومة المصدر المنخفض لحزمة TOLL، إلى جانب شحنة Miller المنخفضة Q_gd، شحن الإخراج س_oss، و س_الاب معًا يسمح بقدرة التبديل السريع مع انخفاض كبير في حجم V_س التجاوز والرنين، بالإضافة إلى تقليل الوقت الميت. تُترجم هذه على مستوى النظام إلى كثافة طاقة أعلى وخسائر أقل وأداء EMI جيد.

الهيكل الموصى به لـ CoolSiC أجهزة 400 فولت ضمن مساحة PSU من Gen I وGen II AI Server تتضمن 3 مستويات من PFCs، مع 400 فولت فولت_{مفاجآت صيف دبي} مناسب تمامًا لـ 277 VAC RMS لخوادم الجيل الأول و347 VAC RMS لخوادم Gen II، كما هو موضح في الشكل 4.

بالنسبة لمثال Gen I الموضح في الشكل 4، تم إجراء مقارنة بين عمود طوطم متطور سعة 2 لتر PFC باستخدام وحدات MOSFET من SiC 650 فولت ومكثف طائر CCM ذو قطب طوطم PFC باستخدام CoolSiC 400 فولت MOSFETs. يتكون التصميم من ساقين عاليي التردد بقوة 2.8 كيلووات، مع تبديل الأجهزة عند 80 كيلو هرتز والمحث عند 160 كيلو هرتز. كما هو موضح في الشكل 5، تساعد ميزة الأداء للأجهزة 400 فولت على تحقيق منحنى كفاءة مسطح، مع كفاءات > 99.4% وكثافة طاقة > 100 وات/بوصة³.

ظهرت التحسينات في الأداء ونطاق الجهد لدوائر SiC MOSFET للمرة الأولى على Power Electronics News.