SiC FET التعامل مع التيار الزائد في تطبيقات قواطع دوائر الحالة الصلبة

[ad_1]

تتمتع قواطع الدائرة ذات الحالة الصلبة (SSCBs) بالعديد من المزايا مقارنة بقواطع الدوائر الكهروميكانيكية. يمكن لـ SSCBs المستندة إلى أجهزة ذات فجوة نطاق واسعة (WBG) مثل كربيد السيليكون أو نيتريد الغاليوم توسيع الميزة التنافسية لـ SSCBs في العديد من التطبيقات. في هذه المقالة، نلخص العرض التقديمي الذي قدمته شركة Qorvo في مؤتمر APEC 2024 حول قدرة معالجة التيار الزائد لـ SiC FETs.¹

مزايا SSCBs

تعتمد القواطع الكهروميكانيكية التقليدية على العمل الكهرومغناطيسي لاكتشاف الدائرة القصيرة وانقطاعها، بالإضافة إلى العمل ثنائي المعدن لحماية التيار الزائد. يعتمد تأثير المغناطيس الكهربائي على الملفات اللولبية والاتصالات، التي تتضمن عدة أجزاء متحركة. يمكن أن يكون وقت الاستجابة للحد من الأخطاء عادةً في حدود بضعة أجزاء من الثانية أو أعلى، اعتمادًا على التصنيفات والتكنولوجيا المستخدمة. تتمتع أجهزة SSCB بأوقات استجابة عادةً في نطاق ميكروثانية أو أقل، وذلك بفضل استجابة إيقاف التشغيل السريعة لأجهزة الطاقة شبه الموصلة وإشارات الاستشعار والتحكم ذات الجهد المنخفض.

طاقة “السماح بالمرور”، أو الطاقة المرسلة إلى الحمل بعد التحميل الزائد وقبل إيقاف تشغيل جهاز الحماية، تكون أقل بكثير مع SSCBs. يتم أيضًا تقليل مخاطر مخاطر فلاش القوس بالنسبة لموظفي الصيانة بشكل كبير نظرًا لوقت الاستجابة الأسرع. الصمامات الكهروميكانيكية عرضة للانحناء عبر نقاط الاتصال. على الرغم من وجود حلول للحد من ذلك من خلال الخلوصات أو انحياز المجال المغناطيسي أو الهواء المضغوط، فإن مثل هذه الإضافات تزيد من حجم ووزن المصهر وتجعلها غير عملية للاستخدام في التطبيقات التي تهيمن فيها هذه العوامل على اهتمامات التصميم. ومن الأمثلة على ذلك السيارات الكهربائية. يمكن أيضًا أن تكون موثوقية SSCB أفضل بكثير من الصمامات الكهروميكانيكية بسبب نقص الأجزاء المتحركة والاتصالات المادية التي يمكن أن تعاني من التآكل بسبب الأحمال الزائدة المتكررة أو دوائر القصر.

تسمح SSCBs بالتحكم الكامل في العديد من الجوانب الرئيسية لميزات الحماية. تتضمن الأمثلة خاصية التيار الزمني القابلة للتكوين (TCC) والتي يمكنها فصل الأحداث العابرة بشكل أكثر فعالية، مثل تيار التدفق من الشورتات الصلبة أو ظروف التحميل الزائد طويلة الأمد. ومن ثم يمكن تجنب الانقطاعات غير الضرورية.

تعد السفن الكهربائية بالكامل والمزيد من الطائرات الكهربائية (MEA) أمثلة على اتجاهات النقل التي تهدف إلى تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري. في هذه التطبيقات والعديد من التطبيقات الأخرى، يوفر توزيع طاقة التيار المستمر العديد من المزايا، مثل تحسين الكفاءة والتكلفة. تعتبر الصمامات الكهروميكانيكية البطيئة في وضع غير مؤات بشكل كبير في هذه التطبيقات بسبب ارتفاع معدل الارتفاع وتيارات الأعطال. علاوة على ذلك، فإن عدم وجود حالة تقاطع صفري في شبكة التيار المستمر يتطلب إطفاء القوس لجلب تيار الخلل إلى الصفر.² يمكن أن تكون SSCBs جزءًا من النظام المستخدم للتحكم عن بعد ومراقبة خصائص التوزيع الكهربائي، وهو أمر يصعب تنفيذه مع القواطع الميكانيكية بسبب بطء وقت الاستجابة.

المتطلبات الأساسية لـ SSCBs

تتضمن بعض المتطلبات الأساسية لـ SSCBs ما يلي:

• مقاومة منخفضة ومستقرة على الدولة (R_{DS (على)}): فقدان التوصيل العالي في الحالة الطبيعية يمكن أن يؤثر بشكل كبير على الكفاءة ومتطلبات التبريد. ر_{DS (على)} يمكن أن تكون SSCBs أعلى بكثير من القواطع الكهروميكانيكية. تتضمن أساليب تقليل ذلك موازنة أجهزة متعددة، والحد من الجهد الزائد بحيث يمكن استخدام أجهزة ذات تصنيف منخفض الجهد أكثر كفاءة، واستخدام أجهزة WBG ذات المزايا الجوهرية على السيليكون في هذا المعيار المهم. تصبح سهولة موازنة الأجهزة عاملاً مهمًا هنا. تتمتع الأجهزة المعتمدة على الثايرستور السيليكوني بمعامل درجة حرارة سلبي قوي، مما قد يجعل المشاركة الحالية صعبة.
• انخفاض التسرب خارج الحالة: هذا مهم بشكل خاص أثناء الجهد الزائد ودرجات الحرارة المرتفعة. هذه معلمة أخرى تتمتع فيها القواطع الميكانيكية بميزة. يمكن أن يكون الحد من الجهد الزائد واختيار الجهاز المناسب من الحلول.
• القدرة على زيادة التيار: يمكن أن يصل تيار الخلل إلى مستوى أعلى من تيار التوصيل الاسمي. يحتاج جهاز الطاقة إلى تحمل ذلك خلال فترة زمنية معقولة مطلوبة لأجهزة الجهد الزائد ودائرة التحكم لإيقاف تشغيل الجهاز. واسعة أنا²هناك حاجة إلى مغلف ليناسب متطلبات التطبيق.
• السلوك الحراري الجيد: يجب أن يكون ارتفاع درجة حرارة الوصلة أثناء الاندفاع أقل من الحد الأقصى لنطاق مواصفات الجهاز ويمكن تعيين الحد الأقصى لتصنيف تيار الاندفاع للجهاز لفترة معينة. العديد من التطبيقات مقيدة بالمساحة ولديها خيارات تبريد خارجية محدودة. تعمل المقاومة الحرارية المنخفضة ودرجة حرارة التشغيل القصوى الواسعة على زيادة منطقة التشغيل الآمنة (SOA) لـ SSCB. يمكن أن تكون ابتكارات الحزمة مثل التبريد ثنائي الجانب مهمة، ويمكن أن تكون المزايا الكامنة في SiC في أدائها في درجات الحرارة العالية عاملاً مهمًا في اختيارها.
• التكلفة: يمكن لـ SSCBs القائمة على السيليكون مثل IGBTs وIGCTs أن تقدم حلولاً فعالة من حيث التكلفة وهي الخيار السائد للتطبيقات ذات التيار العالي جدًا. يمكن أن تسمح كثافة الطاقة ومزايا الأداء لأجهزة WBG بالتنافس بشكل فعال ضد السيليكون في بعض التطبيقات، خاصة مع الانخفاض المتوقع في تكاليف القالب لـ SiC و GaN خلال السنوات القليلة القادمة.

SiC FET أداء التيار الزائد

تقوم شركة Qorvo بتصنيع الجهاز المركب SiC FET المشفر. عادةً ما يتم تغليف جهاز JFET من SiC عالي الجهد بجهاز MOSFET من السيليكون منخفض الجهد، مع توفير MOSFET السيليكون للتحكم في البوابة. المزايا في المقاومة المحددة (ر_{DS (على)} × أ، منطقة القالب) باستخدام هذا النهج، مع أجهزة ذات تصنيف 1200 فولت منخفضة تصل إلى 0.135 أوم ملم². لقد تم إثبات تحسين التحكم في معدل التحويل لهذه الأجهزة من خلال الوصول إلى بوابة JFET أيضًا.³ تم تقييم سلوك التيار المتزايد لهذه الأجهزة باستخدام إعداد الاختبار الموضح في الشكل 1. يتكون JFET DUT المشفر من ستة أجهزة 1200 فولت 8 متر مكعب مكدسة بالتوازي في حزمة وحدة SOT-227. تسمح إمكانية الوصول إلى بوابة JFET بإبطاء سرعة إيقاف التشغيل والحد من جهد التصريف (V_س) التجاوز. تيار التصريف المستمر الاسمي لهذه المكدس (I_د) هو 410 أ عند درجة حرارة الحالة (T_ج) من 100 درجة مئوية ودرجة حرارة الوصلة (T_ي) 150 درجة مئوية. ر_{DS (على)} يقاس عند 1.95 mΩ عند I_د من 410 ألف في ت_ي = 25 درجة مئوية و 3.88 متر مكعب عند ت_ي = 150 درجة مئوية.

كما هو مبين في الشكل 1، فإن مجموعة من مقاومات أكسيد المعدن (MOVs) ومصدات RC توفر تثبيت الجهد، وتقلل من تذبذبات dV/dt وتمتص الطاقة المخزنة في المحاثات الطفيلية للدائرة. الحمل عبارة عن سلك نحاسي. يتم إنشاء الزيادة عن طريق شحن مكثفات الناقل في البداية بجهد طاقة استنزاف معين (على سبيل المثال، 200 فولت) مع DUT في حالة إيقاف التشغيل. يتم بعد ذلك تشغيل DUT لفترة معينة، يتم خلالها تفريغ المكثفات من خلال الحمل وDUT، مما ينتج عنه تيار مفاجئ. تم تحديد مقاومة بوابة JFET بقيمة 15 Ω للحد من V_س تجاوز. سرعة إيقاف التشغيل الإجمالية محدودة بواسطة MOVs وRC snubbers وليس بواسطة إيقاف تشغيل جهاز SiC. يعتمد جهد التثبيت المحدد لـ MOVs على المقايضة: يعمل جهد المشبك العالي على خفض التيار بشكل أسرع ولكنه يخلق المزيد من الضغط على جهاز الطاقة، بينما يحتاج جهد المشبك المنخفض إلى وقت أطول وبالتالي تبديد طاقة أكبر داخل MOV. إن V25S320P MOV المستخدم هنا لديه معدل جهد مشبك يبلغ 825 فولت.

يظهر الشكل 2 أشكال موجة الارتفاع المقاسة لمدة زمنية قدرها 500 ميكروثانية. تمر الأجهزة بموجة تبلغ 2800 أمبير (أي ما يقرب من 7 × الاسمي I_د) وفشلت في زيادة 3200 ألف. يشتبه في الهروب الحراري عند التيار الأعلى. أظهرت الاختبارات التي تم إجراؤها لوقت نبض يبلغ 240 ميكروثانية أن الأجهزة تجتاز ذروة التدفق عند 3450 أمبير وتفشل في زيادة 3900 أمبير.

تم إنشاء إعداد اختبار لقياس المقاومة الحرارية والمقاومة الحرارية العابرة للجهاز في وحدة SOT-227. باستخدام هذه الخصائص والخصائص الموجودة على الحالة لـ DUT، تم بناء نموذج حراري RC من أربع مراحل. يظهر أن هذا النموذج يتوافق بشكل جيد مع المعاوقة الحرارية المقاسة. يمكن استخدام عمليات محاكاة PSpice المستندة إلى هذا النموذج للتنبؤ بدرجة حرارة تقاطع DUT لحدث زيادة معين ومن ثم تحديد SOA للجهاز للحد الأقصى T_ي من 150 درجة مئوية. هنا، تم استخدام أسوأ الظروف، مع R_{DS (على)} ومقاومة حرارية أعلى بنسبة 30% من المعتاد. تظهر منحنيات TCC هذه في الشكل 3.

للتحقق من أن الجهاز يمكنه إيقاف تشغيل الحد الأقصى المتوقع للزيادة البالغة 2360-A عند T_ي عند درجة حرارة 150 درجة مئوية، تم إجراء اختبار زيادة التيار مع بدء تشغيل الجهاز عند درجة الحرارة هذه. تم بنجاح إيقاف ذروة الاندفاع البالغة 3000 أمبير والتي تم تحقيقها خلال مدة نبض تبلغ حوالي 65 ميكروثانية.

مراجع

¹لي، إكس، لوسي، بي، وبهالا، أ. (2024). “قدرة التعامل مع التيار الزائد لـ SiC FETs.” مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

²رودريغز وآخرون. (2021). “مراجعة قواطع دوائر الحالة الصلبة.” معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة، 36(1)، الصفحات من 364 إلى 377.

³لي، إكس، بهالا، أ، ولوسي، ب. (2023). “ClampDRIVE: تقنية محسنة للتحكم في سلوك تبديل SiC Cascode FET.” مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

ظهرت مقالة SiC FET Surge-Current Handling في تطبيقات قواطع دوائر الحالة الصلبة لأول مرة على Power Electronics News.

[ad_2]