ROHMs 4. generasjon SiC MOSFET og støtteverktøy på applikasjonsnivå

Av C. Felgemacher, F. Filsecker, V. Thayumanasamy, C. Fuentes, M. Murata, M. Terada, S. Kitagawa, A. Mashaly

I denne artikkelen vil ytelsesfordelene til denne nye generasjonen bli presentert og ulike støtteverktøy vil bli introdusert. Disse verktøyene er ment å støtte designere av kraftelektronikk-omformere til å bygge de mest effektive, robuste og kostnadseffektive kraftomformerne med ROHM SiC MOSFETer.

Viktige fordeler med ROHMs 4. generasjon SiC MOSFET
En nøkkelparameter i utviklingen av 4. generasjons SiC MOSFET var ytterligere reduksjon av områdespesifikk tilstands-motstand. Dette målet er oppnådd med en reduksjon av RDS(on) på 40 % for samme brikkestørrelse.

I tillegg til forbedringene i RDS(on) og dermed en reduksjon i ledningstap for komponenter med samme areale, tilbyr 4. generasjon også en forbedret svitsjeytelse. For å illustrere denne forbedringen, er verdiene for den totale svitsjeenergien for to 1200V SiC MOSFETer i samme TO-247-4L-pakke med sammenlignbar RDS(on) ved 25°C vist i figur 1. De valgte portdriverkonfigurasjonene di/dt ved «turn-on» så vel som ved «turn-off», var sammenlignbar for begge komponentene. Resultatene viser at 4. generasjon gir en reduksjon av koblingstap på opptil 45%.

For fjerde generasjon ble forholdet mellom komponentkapasitanser optimalisert for å minimere uønskede effekter. Mest bemerkelsesverdig er forholdet mellom kapasitansen mellom gate og drain (CGD) og kapasitansen mellom gate og source (CGS) nå mye større. Følgelig har høyhastighets spenningstransienten (dVDS/dt) påført en SiC MOSFET av en annen svært raskt svitsjende SiC MOSFET, i for eksempel en halvbro, minimal innvirkning på portkildespenningen VGS. Dette reduserer sannsynligheten for utilsiktet parasittisk «turn-on» fra en SiC MOSFET med positive VGS-signaltopper og reduserer forekomsten av negative VGS-topper som kan skade SiC MOSFETen.

Totalt sett, med de kommende 4. generasjonen SiC MOSFETene vil ROHM introdusere komponenter med både forbedret ytelse og forbedret brukervennlighet for kunden. Komponentene vil bli levert både som naken «die» for bruk i kraftmoduler så vel som i diskrete pakker som TO-247, TO-247-4L og TO-263-7L for spenningsklassene 750V og 1200V.

Støtteverktøy som tilbys av ROHM
Rundt SiC MOSFET-ene leverer ROHM også en portefølje av verktøy for å støtte designingeniører i deres oppdrag om å bygge de mest effektive, robuste og kostnadseffektive kraftomformerne. Disse verktøyene spenner fra flere simuleringsverktøy til komponentsentrerte så vel som topologifokuserte evalueringssett (EVKs) og publikasjoner som inneholder teknisk informasjon som kan hjelpe til i utviklingen.

Verktøy for å støttesimuleringsaktiviteter
Som i mange andre utviklingsområder kan designeffektiviteten ved utvikling av kraftelektronikksystemer forbedres betraktelig ved å bruke simuleringer. ROHM tilbyr ulike verktøy, som kan brukes i ulike utviklingsstadier.

For å støtte detaljerte transientsimuleringer tilbyr ROHM SPICE- modeller som kan brukes til å undersøke svitsjebølgeformer eller for å studere effekten av parasittiske elementer rundt kraftkomponentene. Slike modeller er tilgjengelige for kraftkomponenter så vel som andre kretser, og som muliggjør simulering av interaksjoner mellom komponenter som portdriver og krafthalvleder. I tillegg kan simuleringskretser for den grunnleggende kretstopologien for SiMetrix lastes ned fra ROHMs nettsider. I tillegg er et utvidet utvalg av PLECS-modeller tilgjengelig for å støtte termisk design og verifisering.

ROHM tilbyr ROHM Solution Simulator, et simuleringsmiljø som kan kjøres på ROHMs nettsted [1]. ROHM Solution Simulator gir simuleringskretser for kraftelektronikk ved bruk av ROHMs produkter, slik at kundene kan utføre simuleringer ved å sette noen driftsbetingelser. Simuleringskretser er tilgjengelige som inkluderer kraftkomponenter som SiC MOSFETer og strømforsyningskretser, som for eksempel svitsjeregulatorer.

I tillegg er ROHMs referansedesign og effekttrinnsimuleringer av EVKer gitt i ROHM Solution Simulator. Et effekttrinnkort består av kraftkomponenter, portdriverkretser og beskyttelseskretser. Simuleringskretsen er designet for å reprodusere svitsjebølgeformene på selve kortet. Kretsdrift og bølgeformer påvirkes av den parasittiske induktansen som bestemmes av portdriverkretsen og fysiske faktorer i kortets design. For å forbedre simuleringsnøyaktigheten til bølgeformene, ble elektromagnetisk feltanalyse av kortet utført for å trekke ut de parasittiske induktansene til mønstrene og reflektere dem i simuleringskretsen.

Evalueringssett (EVKs)for Power Devices
Halvbro Evalueringskort (HB-EVK)
For at kundene skal kunne evaluere ROHMs 4. generasjons SiC MOSFET i SMD-pakke (TO-263-7L), er et enkelt og brukervennlig halvbro-evalueringskort under utvikling. Figur 2 viser et bilde av evalueringskortet. Ytelsen til SiC MOSFET sammen med optimale portdriftsforhold kan analyseres ved hjelp av dette evalueringskortet. Den isolerte portdriveren IC BM61M41RFV-C som er en enkeltkanalsdriver med 3,75 kVrms isolasjon og integrert aktiv freseklemmefunksjon brukes i dette kortet. Andre nødvendigheter som en kompakt isolert kraftforsyning generatorkrets for portdrivere og en LDO for 5V-forsyningen til portdriverne er tilgjengelig på kortet. Turn-on positive skinnespenninger på 15V/18V og turn-off-spenninger på 0V/-2V/-4V er enkle å konfigurere.

Dimensjonen på kortet er 120mm x 100mm. Med komponentene i en halvbrokonfigurasjon kan flere kraftelektronikkapplikasjoner studeres. Individuell analyse av SiC MOSFETer i form av doble pulstester samt enkle kontinuerlige driftstester i topologier som synkron buck/boost, asynkron buck/boost og invertermodus kan utføres ved lav strøm/effekt. For å drive kontinuerlig med høyere effekt kan brukeren legge til en kjøleribbe på bunnen av kretskortet.

Evalueringskortet med halvbro som vises her, gir en plattform for å analysere oppførselen til enheter som ROHM 4. generasjons SiC MOSFETer ved forskjellige driftsforhold og portdriftsforhold. Andre viktige deler av kortet, for eksempel isolert forsyningsgenereringskrets, kan tjene til å være en referanse for kunden for å implementere lignende kretser i deres design. Evalueringskortet HB-EVK er dermed et støtteverktøy for å realisere et effektiv og robust applikasjonsdesign.

Totem Pole PFC EVK
Som et eksempel på et mer topologifokusert støtteverktøy vises en EVK for en Totem Pole PFC her. Dette kortet integrerer ikke bare kraftkomponentene (fjerde generasjons SiC MOSFET og Si SJ MOSFET) og portdriverkretser, men også alle sensor-, kontroll- og tilleggskretser som kreves i en typisk industriell strømforsyning basert på Totem Pole-topologien. Figur 3 viser et bilde av EVK med ytre mål på ca. 210 x 90 x 55 mm og en nominell effekt på ca. 3 kW ved en inngangsspenning på 230 V AC.

Dette kortet kan brukes til å undersøke den implementerte topologien i detalj og for å utføre applikasjonsspesifikk benchmarking, for eksempel for å sjekke innvirkningen av å velge forskjellige krafthalvledere på effektiviteten som kan oppnås i denne kretsen.

Støttemateriell og teknisk støtte
Bortsett fra evalueringskort og simuleringsverktøy er et kontinuerlig voksende sett med applikasjonsnotater og ytterligere dokumentasjon tilgjengelig for å støtte designaktiviteter rundt ROHMs kraftkomponenter. Mange av disse gir praktiske råd f.eks. for å utføre målinger i strømkretser med svært raske svitsjeenheter, slik som ROHM SiC MOSFET. For en oversikt over annet støttemateriell, se [2]. Til slutt, team av erfarne FAEer og AEer med laboratorieressurser i Europa så vel som Japan gir gjerne brukerne den støtten de forventer på applikasjonsnivå.

Konklusjon
Denne artikkelen dreide seg om ulike tekniske fordeler med ROHMs kommende 4. generasjon SiC MOSFET-er for 750V og 1200V. I tillegg ble et utvalg ROHM-verktøy for designingeniører fremhevet. Disse inkluderer:

• simuleringsmodeller egnet for SPICE-baserte simuleringer eller simuleringer i verktøy som PLECS, samt ROHM System Solution Simulator,
• Kommende EVK-er både for å evaluere enheter i en enkel, men svært relevant krets av halvbro-type og en applikasjonsnivåkrets for en totempol-PFC
• Teknisk informasjon tilgjengelig gjennom applikasjonsnotater og ekspertstøtte.

Med kombinasjonen av høyytelseskomponenter og et bredt sett med støtteverktøy har ROHM som mål å støtte designere i å skape gjennomførbare og energieffektive løsninger for morgendagens kraftelektroniske systemer.

[1] www.rohm.com/solution-simulator
[2] https://www.rohm.com/power-device-support