כיצד להפחית הפסדים, לשפר נצילות ולהרחיב את תחום הטמפרטורות ביישומים בהספק גבוה

מתכנני יישומים עתירי הספק דורשים ממירי הספק קטנים, קלים ויעילים יותר, המסוגלים לפעול בטמפרטורות ובמתחים גבוהים יותר. זה נכון במיוחד ביישומים כמו רכבים חשמליים (EV) שבהם שיפורים כאלה מתורגמים לטעינה מהירה יותר ולטווח נסיעה גדול יותר. כדי להשיג שיפורים אלה, המתכננים משתמשים בממירי הספק המבוססים על טכנולוגיות פער-אנרגיה רחב (WBG) כגון סיליקון קרביד (SiC).

בהשוואה לסיליקון (Si), התקנים אלה פועלים במתחים גבוהים יותר ושוקלים פחות, אך הם בעלי יכולות טיפול בהספק דומות. הם גם פועלים בטמפרטורות גבוהות יותר, ומפחיתים את צורכי מערכת הקירור. התקני SiC יכולים לפעול בתדר מיתוג גבוה יותר, המאפשר שימוש ברכיבים פסיביים קטנים יותר המפחיתים את גודל הממיר ואת משקלו. ועדיין, SiC נמצא בפיתוח מתמיד, כאשר המאמצים העדכניים יותר מביאים להתנגדות "מצב מופעל" נמוכה יותר, ומפחיתים עוד יותר את הפסדי ההספק.

במאמר זה נדון בקצרה ביתרונות של SiC על פני Si, תוך שימוש ברכבים חשמליים עבור ההקשר. לאחר מכן נדון בפיתוחי SiC, נציג את הדור הרביעי של רכיבי SiC MOSFET של ROHM Semiconductor, ונמחיש כיצד הם מסייעים למתכננים להפחית את הפסדי ההספק, העלות וחתימת השטח.

מדוע להשתמש ב-SiC‏?

רכבי EV‏ זקוקים לקיבולת סוללה מוגדלת עבור טווח נסיעה גדול יותר. בשילוב עם מגמה זו, מתחי הסוללה מוגברים ל-800 וולט על מנת להפחית את זמן הטעינה. כתוצאה מכך, מתכנני רכבי EV‏ זקוקים להתקנים היכולים לעמוד במתחים הגבוהים הללו, ובמקביל, להפחית את הפסדי החשמל ואת המשקל. רכיבי SiC MOSFET דור רביעי של ROHM Semiconductor מעניקים הפסדים נמוכים יותר באמצעות טולרנס מתחים גבוה יותר, הפסדי הולכה ומיתוג נמוכים יותר וגדלים קטנים יותר.

SiC, מוליך למחצה בטכנולוגיית WBG, מציע נצילות יוצאת דופן ביישומי מיתוג הספק במתח גבוה ביחס לטכנולוגיית Si MOSFET. השוואה של המאפיינים הפיזיקליים של SiC ו-Si מציגה את מקור השיפור על בסיס חמישה מאפיינים פיזיקליים: שדה חשמלי לפריצה, פער-אנרגיה, מוליכות תרמית ונקודת התכה (איור 1).

איור 1: הצגת יתרונות רכיב MOSFET מסוג SiC על פני Si על בסיס חמישה מאפיינים פיזיקליים. (מקור התמונה: ROHM Semiconductors)

עוצמת השדה החשמלי לפריצה של SiC גדולה פי עשרה מזו של Si, ומאפשרת תכנון התקנים עם מתחי פריצה גבוהים יותר תוך הפחתת עובי ההתקן. פער-האנרגיה הרחב יותר של SiC מאפשר להתקן לפעול בטמפרטורות גבוהות בהרבה. מוליכות תרמית גבוהה יותר מפחיתה את המאמץ הדרוש לקירור ההתקן, בעוד שנקודת ההתכה הגבוהה מגדילה את תחום טמפרטורות הפעולה. לבסוף, מהירות סחיפת האלקטרונים הרוויים הגבוהה יותר של SiC גורמת לתדרי מיתוג אפשריים גבוהים יותר ולהפסדי מיתוג נמוכים יותר. תדרי מיתוג גבוהים אלה דורשים מסננים ורכיבים פסיביים אחרים קטנים יותר, המפחיתים עוד יותר את הגודל והמשקל.

פיתוח רכיבי MOSFET

רכיבי ה-SIC MOSFET המקוריים השתמשו במבנה פלאנארי שבו השער והתעלה של ההתקן נמצאים על פני השטח של המוליך למחצה. התקנים פלאנאריים מוגבלים בצפיפות הרכיבים שלהם מכיוון שיש גבול עד כמה ניתן להקטין את גודל התכנים בניסיון לשפר את תפוקת ההתקן. השימוש ברכיבי MOSFET בעלי תעלה יחידה וכפולה מציע את היכולת להשיג צפיפויות התקנים גבוהות יותר (איור 2).

איור 2: רכיבי Trench MOSFET משיגים צפיפויות התקנים גבוהות יותר על ידי סידור האלמנטים בהתקן בצורה אנכית. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

כמו רכיבי MOSFET אחרים, תא Trench MOSFET‏ כולל מרזב (Drain), שער (Gate) ומקור (Source), אך הוא מסודר בצורה אנכית. התעלה נוצרת אנכית, במקביל לתעלת השער, באמצעות אפקט השדה. כיוון זרימת הזרם הוא אנכי, מהמקור למרזב. בהשוואה להתקן פלאנארי, אשר פרוש אופקית ותופס חלק ניכר משטח הפנים, מבנה זה הוא קומפקטי מאוד.

מבנה התעלה היחידה משתמש בתעלה בעלת שער יחיד. להתקן התעלה הכפולה יש תעלה הן לשער והן למקור. חברת ROHM Semiconductor עברה למבנה התעלה הכפולה בדור השלישי של רכיבי ה-SiC MOSFET שלה. התכנון של הדור הרביעי קידם את תכן התעלה הכפולה על ידי הקטנת גודל התא, תוך הפחתה נוספת של ההתנגדות במצב מופעל ושל הקיבול הפרזיטי, הוביל להפסדי הספק נמוכים בהרבה ולמתן אפשרות להשתמש בהתקני SiC קטנים יותר עבור תכני מערכות יעילים וחסכוניים יותר.

הקטנת התנגדות ה-MOSFET במצב-מופעל עלולה לפגום ביכולתו להתמודד עם קצרים. עם זאת, הדור הרביעי של רכיבי SiC MOSFET משיג התנגדות מצב-מופעל נמוכה יותר מבלי להקריב את זמן העמידה בקצר, המעניקה להתקנים אלו יתרון משמעותי כשמדובר הן בהשגת נצילות גבוהה והן בעמידות איתנה בקצר חשמלי.

הבנת ההפסדים

ההפסדים בממיר ממותג מגיעים ממספר מקורות; אלו הקשורים להתקנים הפעילים כוללים הולכה, מיתוג והפסדי דיודת גוף (איור 3).

איור 3: מוצג שרטוט של ממיר DC/DC מוריד מתח (Buck) המסומן כדי להציג את צורות גל המיתוג ואת צורות גל ההפסד הקשורות. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

ממיר Buck משתמש בתכן Totem Pole עם מתג MOSFET צד-גבוה (S_H) וצד-נמוך (S_L). המתגים נדחפים לא-בפאזה כך שרק אחד מהם מוליך בכל פעם. צורות הגל של דוחף השער (V_GSH ו-V_GSL) מציגות את צעדי האמפליטודה עקב מרווחי הטעינה המשויכים עבור הקיבולים הפרזיטיים של ההתקן. צורות הגל של מתח המרזב-למקור (V_DSH‏, V_DSL) ושל זרם המרזב (I_DH‏, I_DL) מוצגות עבור שני ההתקנים. כשההתקן במצב-מופעל, ה-V_DS נמוך. כשההתקן במצב-מופסק, ה-V_DS גבוה. במהלך הזמן שבו ה-S_H מופעל, זרם המרזב גדל באופן לינארי בזמן שהוא טוען את השדה המגנטי של המשרן. בזמן זה, הזרם דרך התנגדות התעלה מפתח מתח על פני התעלה, וכתוצאה מכך נגרמים הפסדי הולכה (P_COND) שהם פרופורציונליים לריבוע הזרם ולהתנגדות מצב-מופעל של התעלה. במהלך פרקי הזמן שבהם ההתקן מחליף מצב, גם המתח וגם הזרם אינם אפס, וההספק מתפזר בהתקן באופן פרופורציונלי למתח, לזרם, לזמן מעבר המיתוג ולתדר המיתוג. אלה הם הפסדי המיתוג.

מצב דומה מתרחש כאשר S_L נמצא במצב-מופעל. כאן, הזרם פוחת באופן לינארי בזמן שהאנרגיה האצורה במשרן מספקת את זרם המרזב בהתקן התחתון. שוב, התנגדות התעלה מפזרת הספק כהפסד הולכה. שימו לב שה-V_DSL בהתקן התחתון קרוב לאפס לפני שהזרם הופך לשונה מאפס, כך שאין הפסדי מיתוג הקשורים לחלק זה של המחזור.

הפסדי ההתאוששות (P_Qrr) נגרמים על ידי התאוששות דיודת הגוף של ההתקנים; למען הפשטות, הם מוצגים רק עבור הצד הגבוה.

P_body הוא הולכת דיודת הגוף של ההתקנים. הפסד זה נוצר על ידי הזרם הזורם דרך דיודת הגוף של התקן הצד הנמוך.

אובדן ההספק הכולל הוא הסכום של כל הרכיבים הללו עבור שני הטרנזיסטורים.

ביצועים משופרים של רכיבי SiC MOSFET מדור רביעי

השוואת הביצועים בין רכיב Si IGBT לבין רכיבי SiC MOSFET מדור שלישי ורביעי נערכה באמצעות מהפך גשר-מלא בהספק של 5 קילוואט (kW) (איור 4). במעגל גשר-מלא זה, התקני המיתוג מחוברים במקביל עבור יכולת זרם גבוה יותר. הגשר המלא משתמש בסך-הכל בשמונה התקנים. שמונת ההתקנים מוצגים בתמונה השמאלית כשהם מורכבים על צלעות הקירור. נצילות המעגל הוערכה באמצעות רכיב ה-IGBT המקורי ורכיבי ה-MOSFET מדור שלישי ורביעי. המהפך פועל בתדר מיתוג של 40 קילו-הרץ (kHz) עם רכיבי ה-SiC MOSFET ובתדר 20 קילו-הרץ עם רכיב ה-IGBT.

איור 4: הצגת מהפך ‎5 kW‏ ללא מאוורר והשרטוטים שלו. מעגל זה, שתוכנן במקור עם רכיבי IGBT מסיליקון הפועלים ב-‎20 kHz, הופעל עם שני רכיבי ה-SiC MOSFET מדור שלישי ורביעי ב-‎40 kHz. נערכה השוואה של ביצועי כל שלושת סוגי המוליכים-למחצה. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

התקן הדור השלישי היה התקן SCT3030AL של ROHM Semiconductor בעל ערך נקוב של 650 וולט עם התנגדות תעלה (R_DS(ON))‎ של 30 מילי-אוהם (mΩ). רכיב ה-MOSFET מהדור הרביעי היה SCT4026DEC11 של ROHM Semiconductor. ערך המתח הנקוב של התקן הדור הרביעי הוגדל ל-750 וולט. ה-R_DS(ON)‎ שלו הוא ‎26 mΩ, הפחתה של 13% שהפחיתה מעט את הפסדי ההולכה.

השוואה של הפסדי שני רכיבי ה-SiC MOSFET לאלה של ה-IGBT המקורי מציגה את השיפור בנצילות (איור 5).

איור 5: רכיבי SiC MOSFET‏ מדור רביעי הפחיתו משמעותית את ההפסדים בהשוואה לרכיבי Si IGBT המקוריים ולהתקן הדור השלישי. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

התקן הדור הרביעי הפחית את הפסדי ההולכה (בכחול) מ-10.7 ל-9.82 וואט בהשוואה להתקן הדור השלישי. הפחתה משמעותית יותר הושגה בהפסדי המיתוג (בכתום), ירידה מ-16.6 ל-8.22 וואט.

שיפורים נוספים בהתקני הדור הרביעי כוללים יכולות דוחף שער משופרות. רכיבי SiC MOSFET‏ מהדור הרביעי תומכים בדחיפה של 15 וולט; התקני הדור השלישי דורשים 18 וולט. משמעות הדבר היא שמעגלים שתוכננו עם התקני Si יכולים להשתמש ברכיבי MOSFET מדור רביעי כתחליפים תואמים. בנוסף, מתח הדחיפה המומלץ במהלך כיבוי הוא 0 וולט עבור רכיבי SiC MOSFET מהדור הרביעי. לפני מוצרי הדור הרביעי, מתח השער-למקור נזקק לממתח שלילי במהלך הכיבוי למניעת הפעלה-עצמית. לעומת זאת, בהתקני הדור הרביעי, מתח הסף (Vth‏) מתוכנן להיות גבוה על מנת לשכך את ההפעלה-העצמית, ולבטל את הצורך ביישום ממתח שלילי.

פתרונות הדור הרביעי

פתרונות רכיבי SiC MOSFET דור רביעי של ROHM Semiconductor מתחלקים לשתי קבוצות על בסיס מארז ההתקן. ה-SCT4026DEC11, שנדון קודם לכן, הוא SiC MOSFET‏ 750 וולט, 56 אמפר (A‏) (‎+25°C)/29 A (+100°C)‎‏, ‎26 mΩ במארז TO-247N בעל שלושה מוליכים. דוגמה למארז חלופי בעל ארבעה מוליכים הוא SCT4013DRC15 , התקן ל-750 וולט, ‎105 A‏ (‎+25°C)/74 A (+100°C‏), ‎13 mΩ במארז TO-247-4L‏ בעל ארבעה מוליכים.

המארז בעל ארבעת המוליכים מוסיף מוליך נוסף המשפר את מהירות המיתוג של ה-MOSFET. מארז שלושת הפינים הקונבנציונלי TO-247N‏ אינו מבודד את דוחף השער מההשראות הפרזיטית של מוליך המקור עקב זרם מרזב (Drain) גבוה. מתח השער מופעל בין פיני השער והמקור. מתח השער האפקטיבי בשבב מופחת עקב מפל המתח על פני ההשראות הפרזיטית (V_L) של הדק המקור, וגורם להפחתת מהירות המיתוג (איור 6).

איור 6: הפין הרביעי ב-TO-247-4L מבודד את דוחף השער מפיני הספקת הכוח באמצעות פין חיבור נוסף בחיבור Kelvin‏. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

המארז TO-247-4L בעל ארבעה פינים מפצל את הפינים של דוחף השער והספקת הכוח המחברים את דוחף השער ישירות למקור מבפנים. הדבר מקטין למינימום את השפעות ההשראות הפרזיטית של פין המקור. החיבור הישיר של דוחף השער לחיבור המקור הפנימי מאפשר מקסום של מהירות המיתוג של רכיבי ה-SiC MOSFET, תוך הפחתת הפסדי המיתוג הכוללים (הפעלה וכיבוי) עד כדי 35% בהשוואה למארזי TO-247N הקונבנציונליים בעלי שלושה פינים.

המפרט המבדיל הנוסף עבור רכיבי SiC MOSFET מהדור הרביעי הוא הערך הנקוב של המתח. ההתקנים קיימים בערך מתח נקוב של 750 וולט או 1200 וולט. לשני ההתקנים שנדונו עד כה יש ערך מתח נקוב של 750 וולט. עבור יישומי מתח גבוה יותר, ה-SCT4062KEC11 הוא רכיב SiC MOSFET בן 1200 וולט, ‎62 mΩ‏, ‎26 A (+25°C)/18 A (+100°C)‎ עם תעלת N במארז TO-247N בעל שלושה מוליכים, ואילו ה-SCT4036KRC15 הוא רכיב MOSFET בן 1200 וולט, ‎36 mΩ‏, ‎43 A (+25°C)/30 A (+100°C)‎ עם תעלת N MOSFET במארז TO-247-4L בעל ארבעה מוליכים. בסך הכול, קיימים כרגע עשרה רכיבי SiC MOSFET מדור רביעי, עם דירוגי זרם מ-‎26 A עד ‎105 A ב-‎+25°C. הם בעלי ערכי R_DS(ON)‎ בתחום שבין ‎13 mΩ ל-‎62 mΩ.

יישומי רכבים חשמליים

מפרטי רכיבי SiC MOSFET מדור רביעי מותאמים היטב ליישומי רכבי EV‏. דוגמה לכך מספקים רכבים חשמליים המונעים בסוללות (BEV) במתחים של 400 או 800 וולט (איור 7).

איור 7: יישומי SiC MOSFET טיפוסיים מדור רביעי בתוך רכבי BEV והאביזרים החיצוניים הנלווים להם. (מקור התמונה: ROHM Semiconductor)

איור 7 מציג דיאגרמת בלוקים של BEV עם מתח סוללה של 400 או 800 וולט, התומכת בטעינה גם דו-כיוונית וגם מהירה. המטען המובנה (OBC) כולל מעגלי תיקון גורם-הספק (PFC) ב-Totem Pole וממיר תהודתי דו-כיווני CLLC‏ (קבל, משרן, משרן, קבל) בגשר-מלא. מטען ה-DC החיצוני 'Quiq charge' מספק טעינה ישירות לסוללה. הסוללה דוחפת את מהפך ההינע, הממיר DC ל-AC תלת פאזי כדי להניע את המנוע. כל המעגלים הללו מנצלים רכיבי MOSFET בתצורות מעגלים שונות כדי להתמודד עם רמות ההספק הנדרשות. רכיבי SiC MOSFET מהדור הרביעי חשובים מכיוון שהם מקטינים את הגודל הפיזי של המעגל ומגדילים את ערך המתח הנקוב תוך הפחתת ההפסדים והעלויות.

סיכום

עבור מתכנני יישומי מתח גבוה והספק גבוה, כולל רכבים חשמליים, מרכזי נתונים ותחנות בסיס, רכיבי SiC MOSFET מהדור הרביעי הם התקני ספקי-הכוח הממותגים העיקריים. כפי שהוצג, הם משתמשים במבנה ייחודי כדי לשפר מאוד את נצילות המרת ההספק על ידי הפחתת ההפסדים, תוך כדי הפחתת חתימת השטח והעלות.

קריאה מומלצת:

1. יישום אפקטיבי של התקני הספק SiC עבור רכבים חשמליים עם טווח נסיעה ארוך יותר
2. כיצד ליישם בצורה נכונה את התקני ההספק הנכונים כדי לעמוד בדרישות של ספק-כוח תעשייתי