พาวเวอร์ซัพพลายวงจรขับเกตแยกขนาดกะทัดรัดสำหรับ sic-mosfet

SiC และ GaN MOSFET ช่วยให้สามารถออกแบบแหล่งจ่ายไฟได้อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัดพื้นที่พร้อมความถี่การสวิตช์ที่สูงขึ้น ด้วยชุดหม้อแปลงใหม่ นักออกแบบ WE-AGDT สามารถใช้วงจรขับเกตที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพพร้อมกำลังขับสูงสุด 6 W

อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังวงกว้าง เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) MOSFET กำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์กำลังสมัยใหม่จำนวนมาก เช่น การขับเคลื่อนด้วยระบบไฟฟ้าและพลังงานหมุนเวียน ความเร็วในการเปลี่ยนที่เร็วมากช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดขนาดโดยรวมและต้นทุนของระบบ อย่างไรก็ตาม การสวิตช์อย่างรวดเร็วพร้อมกับแรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงและความถี่ในการสวิตช์ที่เพิ่มขึ้นนั้น ทำให้เกิดความท้าทายที่สำคัญต่อระบบวงจรขับเกต การแยกด้วยไฟฟ้าที่ทนทาน การปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัย การป้องกันเสียงรบกวนจากสัญญาณควบคุม และประสิทธิภาพของ EMI เป็นเพียงบางส่วนที่สำคัญที่สุดที่ควรพิจารณา การออกแบบที่เหมาะสมที่สุดของแหล่งจ่ายเสริมแบบแยกที่ให้ระดับแรงดันและกระแสเพื่อขับเคลื่อนอุปกรณ์ SiC/GaN มีความสำคัญอย่างยิ่งในการช่วยให้ระบบวงจรขับเกตเต็มรูปแบบตอบสนองความต้องการมากมายที่กำหนดโดยการใช้งานล้ำสมัย

ข้อกำหนดสำหรับการควบคุมเกต SiC/GaN

ในการใช้งานโดยใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แรงดันสูง SiC/GaN ที่ทำงานภายใต้ฮาร์ดการสวิตช์ การแยกด้วยไฟฟ้าเป็นข้อกำหนดทั่วไปสำหรับเหตุผลด้านความปลอดภัยและการทำงาน โดยขึ้นอยู่กับการใช้งาน จำเป็นต้องมีฉนวนพื้นฐานหรือฉนวนเสริมแรง แรงดันไฟฟ้าในการทำงาน วัสดุฉนวน ระดับมลพิษ และมาตรฐานการกำกับดูแลที่เกี่ยวข้องกำหนดระยะห่างตามผิวฉนวนและระยะห่างขั้นต่ำ ตลอดจนความต้องการแรงดันไฟฟ้าฉนวนไดอิเล็กตริกที่ส่งผลต่อส่วนประกอบที่วางข้ามสิ่งกีดขวางการแยก IC วงจรขับเกตแบบแยกความเร็วสูง (เช่น TI UCC21520) และหม้อแปลงในแหล่งจ่ายไฟเสริมแบบแยกส่วน (บล็อก DC/DC ในรูปที่ 1) ทั้งสอง 'สะพาน' สิ่งกีดขวางการแยกนี้ ดังนั้นจึงต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและการทำงานที่เข้มงวด

รูปที่ 1 ภาพรวมของการควบคุมฮาล์ฟบริดจ์ HV ของ SiC-MOSFET ด้านสูงและด้านต่ำ

อุปกรณ์ SiC-MOSFET ล่าสุดบางรุ่นต้องการแรงดันเกตทั่วไประหว่าง +15 V ถึง +20 V สำหรับการเปิดเต็มรูปแบบ และระหว่าง 0 V ถึง -5 V สำหรับการปิดที่เชื่อถือได้ สำหรับ GaN-FET มักจะต้องใช้เพียง +5 V และ 0 V ตามลำดับ แม้ว่าจะสามารถใช้แรงดันลบเล็กน้อยเพื่อให้แน่ใจว่าจะปิดเมื่อมีแรงดันเกตดังขึ้น โปรดทราบว่าค่าเหล่านี้จะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต ในรูปที่ 1 จะแสดงการกำหนดค่าแบบฮาล์ฟบริดจ์ และโดยทั่วไปขั้นตอนต่างๆ เหล่านี้จำเป็นต้องใช้ในวงจรอินเวอร์เตอร์เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับในช่วงกิโลวัตต์ SiC/GaN-FET แต่ละตัวต้องการสเตจวงจรขับเกตอิสระที่มีแหล่งจ่ายเสริมแยกต่างหาก สิ่งนี้ไม่เพียงช่วยให้สามารถควบคุมอุปกรณ์ SiC/GaN แต่ละตัวได้เท่านั้น แต่ยังช่วยให้เกตกระแสลูปมีขนาดเล็กและอยู่ภายในอุปกรณ์ ลดผลกระทบด้านลบของการเหนี่ยวนำลูปแบบแฝงและการกระดอนพื้นที่เกิดจาก ΔI/Δt ที่สูงมากที่สร้างขึ้นระหว่างการเปลี่ยนการสวิตช์ (รูปที่ 2 และรูปที่ 3)

รูปที่ 2 เส้นทางกระแสสูง ΔI/Δt เมื่อเปิด SiC/GaN FET

รูปที่ 3 เส้นทางกระแสสูง ΔI/Δt เมื่อปิด SiC/GaN FET

หากเพิกเฉย อาจนำไปสู่การเปิด/ปิด MOSFET ที่ไม่มีการควบคุมและปัญหาด้านความร้อน SiC MOSFET บางตัวได้รับการออกแบบโดยมีการเชื่อมต่อแหล่งสัญญาณเคลวินอิมพีแดนซ์ต่ำเพิ่มเติม (รูปที่ 4) สำหรับเส้นทางย้อนกลับปัจจุบันของเกต การเชื่อมต่อนี้ไม่มีกระแสไฟฟ้าการสวิตช์สูง ดังนั้นจึงมีโอกาสเกิดสัญญาณรบกวนต่ำกว่าการเชื่อมต่อแหล่งที่มา ซึ่งช่วยปรับปรุงการขับเกตได้อย่างมาก (เช่น Infineon IMZ120R045M1 1200 V / 52 A)

รูปที่ 4 การเชื่อมต่อเคลวินและการเหนี่ยวนำแบบแฝงที่สำคัญในการกำหนดค่าแบบฮาล์ฟบริดจ์

สำหรับแหล่งจ่ายเสริม ควรมีขนาดกะทัดรัดด้วยตัวเก็บประจุเอาต์พุต (ที่มี ESL และ ESR น้อยที่สุด) ซึ่งวางใกล้กับวงจรขับเกตและอุปกรณ์ SiC/GaN เพื่อลดกระแสเกตลูปและผลกระทบแฝงที่เกี่ยวข้อง

การขับเคลื่อน SiC-MOSFET

ปัจจุบันมีตัวแปลง DC/DC ขนาดกะทัดรัดแบบแยกส่วน 1 – 2 W ให้เลือกมากมายในท้องตลาด สำหรับ SiC-MOSFET เช่น Infineon IMZ120R045M1 1200 V / 52 A สามารถประมาณความต้องการพลังงานได้สูงสุด 1 W ต่ออุปกรณ์ (ตัวอย่างการคำนวณ (1)) อย่างไรก็ตาม การใช้งานที่มีกำลังโหลดมากกว่า 5 กิโลวัตต์จะต้องใช้โมดูล SiC-MOSFET (เช่น ROHM BSM600D12P3G001 1200 V / 600 A) หรือ SiC-MOSFET แบบแยกหลายตัวในแบบคู่ขนาน (การแชร์กระแส) ในโซลูชันโมดูล แม่พิมพ์เซมิคอนดักเตอร์หลายตัวจะถูกเปรียบเทียบกันเพื่อสร้าง SiC-MOSFET รุ่นสุดท้าย เทคนิคนี้ช่วยลด RDS(ON) ที่มีประสิทธิภาพ แต่ส่งผลให้ค่าเกตรวมสูงขึ้น QG ซึ่งต้องใช้กำลังขับมากขึ้นจากแหล่งจ่ายไฟของระบบวงจรขับเกต (ตัวอย่างการคำนวณ (2)) เมื่อมีกำลังไฟสูงกว่า 2 W มีเพียงโมดูลตัวแปลง DC/DC แบบแยกอิสระที่จำหน่ายทั่วไปซึ่งมีให้เลือกอย่างจำกัด ซึ่งแม้จะสะดวก แต่ก็มักจะมาในราคาระดับพรีเมียมในขณะที่มีขนาดใหญ่กว่าโซลูชันแบบแยกและมีประสิทธิภาพต่ำกว่า 79%

กำลังทั้งหมดในการขับเคลื่อนเกต SiC สามารถตรวจสอบได้จากสมการที่ 1:

P_GATE = P_DRIVER + (Q_G x F_SW x ΔV_GATE) (Eq. 1)

กับ:

P_GATE: พลังงานทั้งหมดที่จำเป็นในการขับเคลื่อนเกตอุปกรณ์ SiC

P_DRIVER: การสูญเสียพลังงานในส่วนของวงจรขับเกต (ประมาณ 0.3 W)

Q_G: มูลค่าการเรียกเก็บเกตรวม (จากชีทข้อมูล)

F_SW: ความถี่ในการสวิตช์สูงสุด

ΔV_GATE: แรงดันไฟสูงสุดที่เกตแกว่งจาก –Vee ถึง +Vdd (เช่น -4 V ถึง +15 V = 19 V)

ตัวอย่างการคำนวณ (1) ด้วย Infineon IMZ120R045M1 1200 V / 52 A:

P_GATE = 0.3 W + (62 nC x 100 kHz x 19 V) = 0.42 W

ตัวอย่างการคำนวณ (2) ด้วย ROHM BSM600D12P3G001 1200 V / 600 A:

P_GATE = 0.3 W + (1900 nC x 100 kHz x 19 V) = 3.91 W

โมดูล SiC-MOSFET ที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถมีค่าเกตทั้งหมดตั้งแต่ไม่กี่ร้อย nC ไปจนถึง 3,000 nC ยิ่งบล็อกแรงดันและกำลังไฟสูงเท่าไร ความจุเกตก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น ด้วยการเพิ่มความถี่การสวิตช์หรือกำลังโหลด (ต้องใช้อุปกรณ์ SiC แบบขนานมากขึ้นโดยมีค่าเกตรวมเพิ่มขึ้นตามลำดับ) สามารถคาดหวังกำลังขับ 6 - 10 W สำหรับการใช้งานปัจจุบันและในอนาคตที่มีความต้องการมากที่สุด

ประสิทธิภาพ ขนาด และโดยเฉพาะอย่างยิ่งความจุการจับคู่แบบแฝงเป็นตัวแปรที่สำคัญในระบบที่ใช้ SiC ประสิทธิภาพสูง เมื่อความเร็วการสวิตช์เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ขอบการสวิตช์มีความแตกต่างมาก ฮาร์มอนิคจะจับคู่ระหว่างสเตจเอาต์พุตคอนเวอร์เตอร์/วงจรขับเกต (ด้านแรงดันสูง) และด้านควบคุมแรงดันต่ำ

ความจุกาฝาก (CP) ระหว่างด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิในแหล่งจ่ายไฟตัวงจรขับเกตสริมนั้นถูกกำหนดโดยความจุระหว่างขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้ากระแสตรง/กระแสตรงเป็นหลัก ด้วยการสวิตช์ SiC-MOSFET ล่าสุดที่อัตราสลูว์ ΔU/Δt ที่ 100 kV/us ความจุแบบแฝง 10 pF จะทำให้เกิดกระแสการกระจัดสูงสุดที่ 1 A ทั้งแบริเออร์แยก กระแสการกระจัดสูงสามารถลดการกั้นฉนวนในระยะยาว (ความเค้นไดอิเล็กทริก) รบกวนสัญญาณควบคุมและนำไปสู่กระแสโหมดทั่วไป ซึ่งเป็นสาเหตุทั่วไปของปัญหา EMI

I_P = C_P x ΔU/Δt (Eq. 2)

กับ:

_P: กระแสไฟฟ้าการกระจัด

C_P: ความจุการจับคู่แบบแฝง

โดยทั่วไป แนะนำให้เก็บ CP ไว้ในแหล่งจ่ายเสริมที่ต่ำกว่า 10 pF อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าความจุสูงสุดที่ระบบยอมรับได้จะขึ้นอยู่กับความเร็วในการเปลี่ยนและความสามารถโหมดทั่วไปของภูมิคุ้มกันชั่วคราว (CMTI) ของ IC วงจรขับเกตที่ใช้

Würth Elektronik ได้จัดการกับความท้าทายเหล่านี้ด้วยการนำเสนอโซลูชันที่เหมาะสมด้วยการออกแบบอ้างอิงแหล่งจ่ายไฟวงจรขับเกต SiC ใหม่ การออกแบบเหล่านี้สร้างขึ้นจากหม้อแปลง WE-AGDT ใหม่ที่มีความจุในการพันขดลวดต่ำสุดถึง 6.8 pF ดีไซน์เหล่านี้ให้แรงดันไบโพลาร์ที่ควบคุมอย่างดีและเกตไดร์ฟแบบยูนิโพลาร์ที่มีกำลังขับสูงถึง 6 W ในขณะที่ยังคงรูปแบบที่กะทัดรัด (27 x 14 x 14 มม. (ยาว x กว้าง x สูง)) (รูปที่ 5)

รูปที่ 5 การออกแบบอ้างอิง Würth Elektronik สำหรับตัวแปลง DC/DC แบบแยกขนาดกะทัดรัดสำหรับวงจรขับเกต HV SiC/IGBT

การออกแบบอ้างอิงแหล่งจ่ายไฟวงจรขับเกต SiC

การออกแบบอ้างอิงสองขั้ว (RD001) มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต: 9 - 18 V
• ตัวแปรแรงดันขาออก: +15 V / -4 V, +19 V / -4 V และ +20 V / -5 V.
• ประสิทธิภาพสูงสุดถึง 86% (83% @ 6 W)

รูปที่ 6 แรงดันของรางบวกและลบเทียบกับกำลังโหลดสำหรับตัวแปร +15 V/-4 V (@ VIN (ค่าปกติ) = 12 V)

การออกแบบอ้างอิงแบบขั้วเดียว (RD002) มีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต: 9 - 18 V
• ตัวแปรแรงดันขาออก: +15 V, +18 V และ +20 V
• ประสิทธิภาพสูงสุดถึง 88% (86% @ 6 W)

นอกเหนือจากคอนโทรลเลอร์ LT8302 (อุปกรณ์อะนาล็อก) ส่วนประกอบสำคัญในการออกแบบอ้างอิงเหล่านี้คือหม้อแปลง WE-AGDT ใหม่ ซึ่งสร้างขึ้นจากแพ็คเกจกระสวย EP7 ขนาดกะทัดรัด และด้วยข้อมูลจำเพาะต่อไปนี้:

• ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่กว้าง: 9 - 36 V
• ประเภทความจุที่พันกันต่ำมาก 6.8 pF
• ค่าความเหนี่ยวนำการรั่วไหลที่ต่ำมากเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด
• พร้อมใช้งานสำหรับ SMD Pick & Place
• มาตรฐานความปลอดภัย IEC-62368-1, IEC-61558-2-16
• ฉนวนพื้นฐานสำหรับ 800 V (สูงสุด)
• นาทีการแยกอิเล็กทริก ไฟฟ้ากระแสสลับ 4 kV
• อุณหภูมิคลาส B 155°C
• คุณสมบัติ AEC-Q200

เอกสารอ้างอิงการออกแบบ RD001 [1] และ RD002 [2] ให้ข้อมูลโดยละเอียดและสามารถดาวน์โหลดได้ที่เว็บไซต์ Würth Elektronik พร้อมกับไฟล์โครงร่าง PCB ที่เกี่ยวข้อง (Altium Designer) รวมถึงไฟล์การผลิต PCB

โปรดทราบว่าความสามารถด้านพลังงานของการออกแบบเหล่านี้สามารถปรับขนาดเป็น 10 W ได้อย่างง่ายดายด้วยกระสวย EP10 และการเพิ่มอัตราที่เหมาะสมของส่วนประกอบบางส่วน วิศวกรของ Würth Elektronik ให้การรองรับตามข้อกำหนดเฉพาะ

หม้อแปลงไฟฟ้าเสริมแบบขับเกต WE-AGDT ซีรีส์ใหม่ [3] จาก Würth Elektronik นำเสนอหม้อแปลงแปดแบบที่แตกต่างกัน แต่ละตัวปรับให้เหมาะสมสำหรับข้อมูลจำเพาะที่แตกต่างกันและการออกแบบอ้างอิงของตนเอง หม้อแปลงเหล่านี้ให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบและใช้งานง่ายในขณะที่ให้ระดับแรงดันเกตไดรฟ์ กำลังขับ และความจุแบบแฝงต่ำที่จำเป็นในการขับเคลื่อน SiC-MOSFET, ซิลิคอน IGBT และอุปกรณ์ Power-MOSFET ที่ล้ำสมัย

หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับซีรีส์หม้อแปลงไฟฟ้าเสริมแบบขับเกต WE-AGDT จาก Wurth Elektronik โปรดคลิกที่นี่

ดาวน์โหลดบทความนี้ในรูปแบบ pdf