Спросите разработчика преобразователя энергии, чего он хочет от полупроводникового переключателя, и ответ может быть примерно таким: «Низкое сопротивление открытого ключа, большое сопротивление в закрытом состоянии и максимально быстрый переход между двумя состояниями». Идея, конечно, в том, что упрощенно это дает низкое рассеивание мощности. SiC полевые транзисторы близки к этому идеалу: сопротивление их открытого канала в классе 750-вольтовых приборов теперь составляет менее 6 мОм, а скорости нарастания находятся в наносекундной области, что обещает показатели КПД не менее 99.5% для преобразователей и инверторов с выходной мощностью в диапазоне нескольких кВт.
Немного подумав, разработчик еще добавит несколько «чуть не забыл», таких как простота управления затвором, высокое допустимое напряжение, эффективная работа в третьем квадранте, высокая энергия лавинного пробоя и устойчивость к короткому замыканию, низкое тепловое сопротивление, низкая стоимость системы и, возможно, еще что-нибудь. К счастью, SiC полевые транзисторы обладают всеми этими базовыми характеристиками, а показатели качества являются лучшими в своем классе.
Итак, у нас есть счастливый разработчик, пока он не отправит SiC полевой транзистор в макетную плату с максимальными скоростями фронтов и мгновенно не увидит дым. «Напряжение питания было значительно ниже максимального, а нагрузка была совсем легкой!» Но с какой индуктивностью соединений и подключений? Феноменальная скорость нарастания фронта тока 3000 А/мкс при индуктивности всего 100 нГн вызвала скачок напряжения в 300 В в полном соответствии со знакомой нам формулой
перегрузив коммутатор и спровоцировав высокочастотный звон длительностью в микросекунды, который до того, как SiC транзистор сдался, на короткий период уничтожил местный радиоприем.
Теперь нам понятно, что если мы не будем стремиться к нулевой индуктивности соединений или сильно превысим номинальное напряжение коммутатора и не обеспечим хорошую фильтрацию электромагнитных помех, потребуются контроль крутизны фронтов и подавление звона. Традиционным способом ограничения бросков напряжения является добавление последовательного сопротивления затвора RG(OFF) (для режима выключения), но это создает свои проблемы, добавляя задержку к сигналам, которая ограничивает коэффициент заполнения и возможности работы на высоких частотах, – одно из основных преимуществ переключателей на основе широкозонных полупроводников. Затворный резистор также существенно увеличивает потери переключения и мало влияет на звон.
Лучшим решением является простой RC снаббер. Вас может смутить идея громоздкой и горячей резисторно-конденсаторной цепи, обычно необходимой для IGBT, но для SiC полевых транзисторов все по-другому. Он используется в основном для подавления резонанса, обусловленного индуктивностью соединений и емкостью устройства, которая для SiC полевых транзисторов чрезвычайно низка. Это означает, что все, что обычно требуется для демпфирования – это последовательное сопротивление в несколько Ом и емкость порядка 200 пФ (в 2 или 3 раза больше, чем COSS(ER) – эквивалентная выходная емкость в режиме жесткой коммутации). Некоторая мощность рассеивается на снабберном резисторе, но цепь уменьшает перекрытие между напряжением выключения и током, как в приложениях с жесткой, так и с мягкой коммутацией, поэтому потери при этом переходе фактически меньше.
Демпфер рассеивает небольшую мощность и при включении, поэтому для полной картины следует учитывать общие потери, возникающие как при выключении, так и при включении. На Рисунке 1 показана зависимость общих потерь от тока стока при номиналах затворных резисторов, рекомендованных для сопротивления открытого канала 40 мОм. Синяя кривая соответствует отсутствию снаббера при одинаковых сопротивлениях затворных резисторов RG(ON) (для режима включения) и RG(OFF), равных 5 Ом. Оранжевая кривая иллюстрирует случай, когда RG(ON) = 5 Ом, RG(OFF) = 0 и используется снабберная цепочка 200 пФ/10 Ом. При выходном токе 40 А выгода от использования снаббера очевидна: при работе на частоте 40 кГц рассеиваемая мощность уменьшается примерно на 10.9 Вт. При небольших нагрузках ситуация обратная, но рассеивание мощности на этих уровнях низкое.
 |
|
| Рисунок 1. | Зависимость общих потерь от тока стока. |
Снаббер – отличное решение, но уместны ли такие накладные расходы? Если оценить энергию, поглощаемую снабберным резистором, в типичном приложении она может составить порядка 120 мкДж за период, что при частоте 40 кГц соответствует потерям более 5 Вт. Однако тесты показывают, что бóльшая часть энергии рассеивается не в снабберном резисторе, а в канале SiC транзистора во время прохождения линейной области его характеристики при включении. Поэтому для снаббера обычно достаточно резистора мощностью 1 Вт, который при таком уровне мощности вполне может быть компонентом для поверхностного монтажа. Конденсатор нужен небольшой.
Теперь разработчик может с радостью поставить еще одну птичку в своем списке пожеланий к идеальному коммутатору: устройство, которое можно легко и дешево приручить, чтобы уменьшить выбросы и звон без ущерба для других преимуществ.
