この記事から、炭化ケイ素MOSFETトランジスタとダイオードの使用の特徴、元素の選択方法とシリコン（Si）デバイスとの比較、そして最も重要なこととして、速度を落とすための私の実験と研究の結果を学びます。私の最近の開発である太陽エネルギーの供給源であるSiCトランジスタのスイッチング。
カットの下で、パワーエレクトロニクスの分野での少しの分析と実践-ようこそ。
炭化ケイ素
炭化ケイ素は、ダイオード、トランジスタ、サイリスタの製造に使用されるワイドギャップ半導体材料です。炭化ケイ素は、非常に長い間、パワーエレクトロニクス開発者として私の業務に参加しました。約10年前、力率改善器（PFC）にSiCダイオードを使用すると、コンバーターの効率が大幅に向上するというインフィニオンの記事を読みました。適用されます。そしてそれをシリコンダイオードと比較しても-確かに、ゲインは非常に重要であることが判明しました。それ以来、私は多くの設計でSiCダイオードとトランジスタを適用してきました。
SiCMOSFETがシリコンMOSFETよりも優れている点を見てみましょう。
- (Ciss) (Coss) , ;
- Qg, ;
- RDSon, ( );
- RDSon ;
- ;
- .
根拠がないことを避けるために、私は炭化ケイ素トランジスタのパラメータをSiに基づく同様のパラメータと比較することを提案します。比較のために、Wolfspeed（Cree）SiC MOSFET（C3M0060065K）と、C7（IPW65R065C7）およびCFD7（IPW60R070CFD7）ファミリのインフィニオントランジスタのペアを選択しました。これらのトランジスタは、電気的パラメータで炭化ケイ素と何らかの形で競合する可能性があるため、トップファミリから選択されています。
この比較を見ると、炭化ケイ素はすべての点で（価格を除いて）シリコントランジスタよりも優れていると言えます。チャネル抵抗RDSonについて 一言。実際、選択したSiトランジスタのこのパラメータは、通常の状態ではわずかに低くなりますが、これはRDSonの非常に強い温度依存性によって十分に補償され ます。
次の図は、2つのトランジスタの依存関係データを示しています。 100°Cの温度（グラフにドットを付けた）では、炭化ケイ素の過剰はわずか10％であり、シリコントランジスタの過剰は65％であることがわかります。
パワー半導体は室温で動作することはなく、順方向チャネル抵抗に対する結晶温度の影響は非常に重要です。静的損失を計算してトランジスタを選択するときは、この機能を常に考慮に入れる必要があります。グラフは、75°Cの温度でも、シリコンの実効R DSon値を計算するときに 、1.4の補正係数を適用する必要があることを示しています。
炭化ケイ素の利点を調べましたが、コインの裏側は何ですか？
SiC-MOSFETの使用を妨げるものは何ですか？
価格。上記は価格の比較ですが、これは多かれ少なかれ同等のPPデバイス（たとえば、トップクラス）の選択です。そして、この問題はより安価なトランジスタで解決できます。たとえば、NTHL095N65S3HF（ONsemiの通常のシリコントランジスタ、650V、36A）の価格はわずか4.86ドルで、100個のバッチではさらに安価です（3.3ドル）。チャネル抵抗がわずかに高くても問題ありません。それはそのタスクを実行し、単にコンバータの効率よりも低くなります。特別な要望があれば、中国の優れたメーカーのトランジスタを2.5ドルで見つけることができます。
非常に高速な切り替え。一方では、これはプラスです-動的損失が減少します。しかし一方で、マイナス、dV / dtの値が大きいと、伝導と放射の両方の干渉レベルが増加します。しかし、EMCの認定とテストをキャンセルした人は誰もいませんでした。
バイポーラゲート制御（アクティブロック）の必要性。はい、SiCトランジスタが登場していますが、DSはこれは不要であると述べています。しかし、正直なところ、私はハードな産業用アプリケーションにはそれをしません。
アバランシェ降伏の基準の欠如。正直なところ、この事実は私にとって驚きでした。実際、SiCトランジスタのこれらの規格（アバランシェ定格）はDSにはありません。ロームセミコンダクターのウェブサイトでこれを見つけることができましたが、主要ベンダーは「巧みに」沈黙しています 。
炭化ケイ素のアバランシェ降伏に関する独立した研究を読んだ後、これが本当のワームホールであることが明らかになり、おそらく、このトピックのレビューはこの記事の範囲を超えています。注目できる唯一のことは、SiC-MOSFETのアバランシェ降伏の電圧が境界ドレイン-ソース間電圧よりも大幅に（1.5-1.8倍）高いことです。
炭化ケイ素ダイオードについて少し
SiCダイオードは、力率改善器（PFC、PFC）で広く使用されています。KKMは、ほとんどの場合、それぞれ、ハードスイッチングと大きな電圧振幅のブーストコンバータです。ここでは、高速逆回復ダイオードが理想的です。特に、スイッチングがオンになっているときの連続電流モード（CCM）の場合。
以前は、炭化ケイ素ダイオードの価格が比較的高かったときに、いくつかのオプションがありましたが、今では間違いなく、これらの優れたダイオードのみをKKMに入れています。
高電圧整流器など、他のアプリケーションも見つけることができます。
SiC-MOSFETスイッチングプロセスの研究
入力電圧が1500Vまでの電源の開発を計画する際に、炭化ケイ素トランジスタを使用することの特徴を事前に研究し始めました。私は特に、ドレイン-ソース間電圧の上昇率（dV / dt）の臨界値と、スイッチングを遅くする方法に興味を持っていました。いずれかのディストリビューターのウェビナーで、これらの質問に対する回答を得ることができました 。
コンバーターの最初のイテレーションが構築され、デバッグされた後、スイッチングプロセスが遅くなる可能性について調査することにしました。コンバーターはハーフブリッジトポロジーで作られ、電力は100 W、供給電圧は750V、トランジスタ制御は次のスキームに従って行われます。
ゲート抵抗（R2、R3）の抵抗の増加に伴い、スイッチングエッジの持続時間の値とコンバータ全体の効率が測定されました。正直なところ、フロントを締めるとダイナミックロスが増えて効率が落ちると思っていました。実際には、結果は異なります。効率の変化は重要ではありませんでした。より正確には、電源に組み込まれた電流計を使用して測定した場合、このメーターの解像度が低いため、違いは目立ちませんでした。私は自分の間違いに気づき、より正確な電流計を使用してそれを再度測定しました。
極端な点で、私は次の値を取得しました。
- ゲート抵抗が5.6オームの場合、効率は85.0％です。
- 330オームのゲート抵抗で、効率は84.46％です。
したがって、追加電力は約0.5Wです。これは、動的損失の増加のみの結果であると想定できます。この場合でも、2つのトランジスタで除算すると、スイッチごとに0.25Wの追加の消費電力が得られます。これは多いとは言えません。さらに、ゲートでの330オームは完全に不可能な値です！正直、そのような抵抗器を取り付けるのは怖かったです（電源開発者は私を理解します）、そして750Vの入力電圧のソースがどのように燃え尽きなかったのか疑問に思います。しかし、彼らが言うように、科学
5.6オームのゲート抵抗を備えた下部キーのドレイン-ソース間電圧のオシログラム：
ゲート抵抗220オームを備えた下部キーのドレイン-ソース間電圧のオシログラム：
スイッチング時間とゲート抵抗値の関係：
もちろん、330オームのゲート抵抗を使用してゲートで何が起こるかに非常に興味がありました。ミラーの棚はそれほど大きくありませんでした：
結論
調査の目的は、入力電圧が200〜750 V（DC）の100W電源であったことを思い出してください。出力電圧24V。トポロジー-ハーフブリッジ。パワートランジスタC2M1000170D（炭化ケイ素）。
したがって、ドレインで得られる最高のスルーレート電圧は18 V / nsであり、これはdV / dt 100〜150 V / nsの制限値よりも大幅に低くなっています。
これらの研究から導き出せる重要な結論は、ゲート抵抗を増やすことによって炭化ケイ素トランジスタのスイッチングフロントを遅らせることは特に効果的ではないということです。私の意見では、実際の設計では、22オームのゲート抵抗を取り付ける余裕があります。場合によっては47オームになることもあります。研究の結果から、そのような値では、前線の有意な抗力がないことがわかります。
炭化ケイ素半導体の使用に関して-トランジスタに関しては、PFCでのSiC必須ダイオード（実際に厳密な価格目標がない場合）について、私はそれらが使用されるべきいくつかの条件を自分で推測しました：
- コンバータの高入力電圧（500-1500V）;
- 周囲温度の上昇または冷却条件の悪さ。
- ソリューションのコンパクト性を高める必要があります（したがって、より高い周波数を選択します）。
- 高効率が必要です。
- 新しいパワーエレクトロニクス技術を試してみたいと
思います。
私の推奨事項を使用するか、独自の推奨事項を考え出すことができます。いずれにせよ、あなたの開発は効率的で信頼できるものにしましょう！そして、また会うまで。
パワーはクールです-それに対処してください。