Platforma testowa, zaprojektowana przez firmę Infineon w celu zaprezentowania przewagi urządzeń SiC, wykorzystuje układ sterownika EiceDRIVER oraz tranzystory MOSFET z serii CoolSiC w 3- i 4-pinowych obudowach TO247.
Płyta główna platformy ewaluacyjnej dla 1200-V MOSFETów CoolSiC w obudowach TO247 z 3- i 4-pinami - IMZ120R045M1 - jest dostarczana wraz z częściami zamiennymi, takimi jak płytka sterownika V1 (zasilanie symetryczne, 1EDC60H12AH) i płyta sterownika V2 (z układem Millera, 1EDC20I12MH). Pierwsze rozwiązanie stosuje się do uniknięcia pasożytniczego przełączania, a drugie, by uzyskać zasilacz bipolarny. Maksymalne napięcie robocze płytki to 800 V przy prądzie 130 A w impulsie.
Tranzystor polowy Infineon CoolSiC ma typowe napięcie progowe źródła bramki wynoszące 4,5 V. Zalecane napięcie włączenia bramki wynosi +15 V, a zalecane napięcie wyłączenia to 0 V. Aby ocenić wydajność tranzystora CoolSiC z ujemnym napięciem bramki przy wyłączaniu, wystarczy bipolarny zasilacz dostarczany w 1EDC60H12AH.
Napięcie sterowania bramki waha się od -5 V do + 20 V przy połączeniu przez SMA-BNC i pomiarze prądu przez opcjonalny bocznik osiowy. Konstrukcja radiatora umożliwia testowanie w różnych temperaturach. Podejście modułowe wybrane przez Infineon pozwala na rozszerzenie platformy o inne płytki do sterowania tranzystorami kontrolne.
Technologia sterowania elementami z węglika krzemu
Urządzenia z węglika krzemu (SiC) są coraz częściej stosowane w przetwornicach mocy wysokiego napięcia z surowymi wymaganiami dotyczącymi rozmiaru, wagi i wydajności, ponieważ oferują szereg zalet w porównaniu z powszechnie stosowanym krzemem (Si).
W porównaniu z tradycyjnym krzemem stosowanym w kluczach, takich jak urządzenia IGBT i MOSFET, MOSFETy z SiC oferuje szereg zalet, takich jak niski ładunek bramki, zdolność do osiągania wysokich napięć przełączania, niskie straty przełączania, które nie są zależne od temperatury. Solidny przełącznik SiC jest idealny do przełączania w topologiach, takich jak przetwornice LLC i ZVS. Technologia SiC może działać przy napięciach do 1700 V. W rezultacie urządzenia SiC prawie całkowicie wyparły krzemowe tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) w sektorach energetycznym, przemyśle i transporcie.
Kluczowym elementem wszystkich projektów drivera bramki jest dobór poziomów napięcia sterowania jej. Technologia CoolSiC umożliwia projektantom wybór napięcia załączenia bramki pomiędzy 18 V a 15 V. Z drugiej strony napięcie wyłączające musi tylko zapewniać bezpieczne wyłączenie urządzenia.
Tak wielkie zalety sprawiają, że tranzystory SiC MOSFET są atrakcyjnym kluczem do zastosowań o dużej mocy, takich jak falowniki słoneczne i ładowarki do pojazdów elektrycznych. Dzięki specyficznej budowie tranzystory CoolSiC MOSFET zwiększają mobilność kanału i poprawiają niezawodność tlenkowego izolatora bramki.
Technologia CoolSiC MOSFET ma stanowić uzupełnienie nie tylko tranzystorów IGBT w tej klasie napięcia blokującego, ale także odnoszącej sukcesy technologii CoolMOS. Dostępne są one w klasycznej obudowie TO-247 z 3 lub 4 pinami, co pozwala na jeszcze mniejsze straty łączeniowe.
Dzięki bardzo niskiej rezystancji w stanie włączenia - RDS(on) – i jej zależności od temperatury, tranzystory MOSFET charakteryzują się doskonałymi właściwościami termicznymi. Urządzenia te mają solidne i stabilne diody wbudowane, które zachowują bardzo niski poziom ładunku zwrotnego (Qrr) - około 80% niższy niż w najlepszych tranzystorach CoolMOS. Odporność na komutację pomaga łatwo osiągnąć ogólną sprawność systemu na poziomie 98% - na przykład dzięki zastosowaniu korekcji współczynnika mocy (PFC) w trybie ciągłego przewodzenia.
Sprzęt
Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy platformy.
Rys.1. Schemat blokowy omawianej platformy.
Rdzeniem płytki jest półmostek składający się z przełączników S1 i S2 w TO247. W przypadku obu kluczy używane są niezależne sterowniki bramek. Cewka indukcyjna L1 jest montowana na zewnątrz i nie jest dostarczana przez firmę Infineon.
Rys.2. Płyta główna platformy testowej.
Płytka pokazana na rysunku 2 jest zasadniczo podzielona na dwie sekcje: główny (pierwotny) zasilacz po prawej stronie i (wtórny) zasilacz obwodu po lewej stronie. Po stronie pierwotnej znajdziemy zasilacz 12 V (X102, X105). Złącza półmostkowe (X150 - X152) znajdują się po stronie wtórnej. R102 i R108 regulują napięcie sterownika w zakresie od 7,5 do 20V. R105 i R107 regulują ujemne napięcie w zakresie od -1 V do -4,5 V. Napięcia 20 V i -5 V to stałe napięcia z przetwornic DC/DC G101 i G104. Do uzyskiwania wyższych temperatur, np. do 175°C radiator może być używany razem z elementem grzejnym, symulującym pracę w wysokiej temperaturze.
Płytka 1EDC60H12AH z zasilaniem bipolarnym jest dostarczana z pojedynczym sterownikiem bramki do pracy po wysokiej stronie 1200 V z izolacją galwaniczną certyfikowaną przez UL.
Wejściowe piny logiczne działają w szerokim zakresie napięcia wejściowego od 3 V do 15 V, wykorzystując skalowane poziomy progowe CMOS do obsługi nawet mikrokontrolerów 3,3 V. Transfer danych przez barierę izolacyjną jest realizowany za pomocą technologii bezrdzeniowego transformatora. Każdy sterownik z tej rodziny jest wyposażony w wejście logiczne i wyjście sterownika z blokadą podnapięciową (UVLO) i aktywnym wyłączaniem. Aby zapewnić prawidłowe przełączanie tranzystorów IGBT, urządzenie jest wyposażone w niezależną blokadę podnapięciową dla wejścia i wyjścia. Przy zasilaniu bipolarnym sterownik jest zwykle zasilany dodatnim napięciem 15 V na VCC2 i ujemnym napięciem -8 V na GND2 w odniesieniu do emitera IGBT. Ujemne zasilanie może pomóc w zapobieganiu dynamicznemu włączeniu z powodu dodatkowego ładunku generowanego przez pojemność wejściową IGBT (patrz rysunek 3 i 4).
Rys.3. Przykład aplikacji z zasilaniem symetrycznym dla 1EDC60H12AH.
Rys.4. Przykład aplikacji z zasilaniem symetrycznym i układem Millera na płytce z 1EDC20I12MH.
Druga płytka jest oparta na pojedynczym sterowniku bramki 1EDC20I12MH: 1200 V z izolacją galwaniczną z certyfikatem UL, aktywnym układem Millera i zabezpieczeniem zwarciowym. Jest galwanicznie izolowana z transformatorem bezrdzeniowym i nadaje się do pracy w wysokich temperaturach otoczenia oraz w aplikacjach szybkiego przełączania. Posiada certyfikat UL 1577 z napięciem probierczym izolacji VISO = 3000 V (rms) przez 1 s.
Typowe zasilanie tej płytki to 15 V na VCC2. Przypadkowemu włączaniu się modułu IGBT zapobiega tutaj układ Millera, którego wyjście CLAMP jest podłączone bezpośrednio do bramki układu (patrz rysunki 4 i 5).
Rys.5. Przykład aplikacji z zasilaniem pojedynczym i układem Millera na płytce z 1EDC20I12MH.
Aby zmierzyć prąd drenu MOSFETa, Infineon sugeruje wykorzystanie współosiowego bocznika prądowego, jaki pokazano na rysunku 6. Zapewnia on szerokie pasmo pomiaru i rezystancji, zależne od Rds(ON) badanego układu i używanego urządzenia pomiarowego.
Rys.6. Bocznik współosiowy do pomiaru prądu.
Działanie
Narzędziami potrzebnymi do testowania jest pomocniczy zasilacz zapewniający napięcie +12 V, generator funkcyjny z wyjściem PWM oraz źródło wysokiego napięcia (około 800 V). Schemat okablowania dostarczony przez firmę Infineon pokazano na rysunkach 7 i 8.
Rys.7. Schemat podłączeń zasilaczy. Układ w konfiguracji do testowania półmostka dla dolnego MOSFETa lub diody wbudowanej górnego.
Rys.8. Schemat podłączenia zasilaczy. Układ w konfiguracji półmostkowej do testowania MOSFETa po stronie wysokiej lub diody wbudowanej po stronie niskiej.
Po zamontowaniu dostarczonej płytki do płyty głównej należy ustawić zworki na wymagane napięcie zasilania. Następnie należy wlutować testowany element i współosiowy bocznik na płytkę drukowaną platformy i podłączyć źródło zasilania (napięcie stałe do 800 V), zasilanie pomocnicze (12 V), generator PWM oraz cewkę obciążenia. Następnie należy włączyć zasilacz 12 V i generator impulsów. Dalej można podnosić wysokie napięcie stopniowo, aż do uzyskania pożądanego poziomu. Wyłączanie układu należy zacząć od wyłączenia źródła wysokiego napięcia, a następnie zasilania pomocniczego i generatora.
Płytka sterownika V1 (zasilanie bipolarne) 1EDC60H12AH może być zasilana od + 15 V do -5 V, co zapobiega niepożądanemu załączeniu bramki. Płyta sterownika V2 (układ Millera) 1EDC20I12MH umożliwia uziemienie aktywnego zacisku Millera VGS do masy (0 V).
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/sic-technology-evaluation-platform/
Płyta główna platformy ewaluacyjnej dla 1200-V MOSFETów CoolSiC w obudowach TO247 z 3- i 4-pinami - IMZ120R045M1 - jest dostarczana wraz z częściami zamiennymi, takimi jak płytka sterownika V1 (zasilanie symetryczne, 1EDC60H12AH) i płyta sterownika V2 (z układem Millera, 1EDC20I12MH). Pierwsze rozwiązanie stosuje się do uniknięcia pasożytniczego przełączania, a drugie, by uzyskać zasilacz bipolarny. Maksymalne napięcie robocze płytki to 800 V przy prądzie 130 A w impulsie.
Tranzystor polowy Infineon CoolSiC ma typowe napięcie progowe źródła bramki wynoszące 4,5 V. Zalecane napięcie włączenia bramki wynosi +15 V, a zalecane napięcie wyłączenia to 0 V. Aby ocenić wydajność tranzystora CoolSiC z ujemnym napięciem bramki przy wyłączaniu, wystarczy bipolarny zasilacz dostarczany w 1EDC60H12AH.
Napięcie sterowania bramki waha się od -5 V do + 20 V przy połączeniu przez SMA-BNC i pomiarze prądu przez opcjonalny bocznik osiowy. Konstrukcja radiatora umożliwia testowanie w różnych temperaturach. Podejście modułowe wybrane przez Infineon pozwala na rozszerzenie platformy o inne płytki do sterowania tranzystorami kontrolne.
Technologia sterowania elementami z węglika krzemu
Urządzenia z węglika krzemu (SiC) są coraz częściej stosowane w przetwornicach mocy wysokiego napięcia z surowymi wymaganiami dotyczącymi rozmiaru, wagi i wydajności, ponieważ oferują szereg zalet w porównaniu z powszechnie stosowanym krzemem (Si).
W porównaniu z tradycyjnym krzemem stosowanym w kluczach, takich jak urządzenia IGBT i MOSFET, MOSFETy z SiC oferuje szereg zalet, takich jak niski ładunek bramki, zdolność do osiągania wysokich napięć przełączania, niskie straty przełączania, które nie są zależne od temperatury. Solidny przełącznik SiC jest idealny do przełączania w topologiach, takich jak przetwornice LLC i ZVS. Technologia SiC może działać przy napięciach do 1700 V. W rezultacie urządzenia SiC prawie całkowicie wyparły krzemowe tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) w sektorach energetycznym, przemyśle i transporcie.
Kluczowym elementem wszystkich projektów drivera bramki jest dobór poziomów napięcia sterowania jej. Technologia CoolSiC umożliwia projektantom wybór napięcia załączenia bramki pomiędzy 18 V a 15 V. Z drugiej strony napięcie wyłączające musi tylko zapewniać bezpieczne wyłączenie urządzenia.
Tak wielkie zalety sprawiają, że tranzystory SiC MOSFET są atrakcyjnym kluczem do zastosowań o dużej mocy, takich jak falowniki słoneczne i ładowarki do pojazdów elektrycznych. Dzięki specyficznej budowie tranzystory CoolSiC MOSFET zwiększają mobilność kanału i poprawiają niezawodność tlenkowego izolatora bramki.
Technologia CoolSiC MOSFET ma stanowić uzupełnienie nie tylko tranzystorów IGBT w tej klasie napięcia blokującego, ale także odnoszącej sukcesy technologii CoolMOS. Dostępne są one w klasycznej obudowie TO-247 z 3 lub 4 pinami, co pozwala na jeszcze mniejsze straty łączeniowe.
Dzięki bardzo niskiej rezystancji w stanie włączenia - RDS(on) – i jej zależności od temperatury, tranzystory MOSFET charakteryzują się doskonałymi właściwościami termicznymi. Urządzenia te mają solidne i stabilne diody wbudowane, które zachowują bardzo niski poziom ładunku zwrotnego (Qrr) - około 80% niższy niż w najlepszych tranzystorach CoolMOS. Odporność na komutację pomaga łatwo osiągnąć ogólną sprawność systemu na poziomie 98% - na przykład dzięki zastosowaniu korekcji współczynnika mocy (PFC) w trybie ciągłego przewodzenia.
Sprzęt
Rysunek 1 pokazuje schemat blokowy platformy.
Rys.1. Schemat blokowy omawianej platformy.
Rdzeniem płytki jest półmostek składający się z przełączników S1 i S2 w TO247. W przypadku obu kluczy używane są niezależne sterowniki bramek. Cewka indukcyjna L1 jest montowana na zewnątrz i nie jest dostarczana przez firmę Infineon.
Rys.2. Płyta główna platformy testowej.
Płytka pokazana na rysunku 2 jest zasadniczo podzielona na dwie sekcje: główny (pierwotny) zasilacz po prawej stronie i (wtórny) zasilacz obwodu po lewej stronie. Po stronie pierwotnej znajdziemy zasilacz 12 V (X102, X105). Złącza półmostkowe (X150 - X152) znajdują się po stronie wtórnej. R102 i R108 regulują napięcie sterownika w zakresie od 7,5 do 20V. R105 i R107 regulują ujemne napięcie w zakresie od -1 V do -4,5 V. Napięcia 20 V i -5 V to stałe napięcia z przetwornic DC/DC G101 i G104. Do uzyskiwania wyższych temperatur, np. do 175°C radiator może być używany razem z elementem grzejnym, symulującym pracę w wysokiej temperaturze.
Płytka 1EDC60H12AH z zasilaniem bipolarnym jest dostarczana z pojedynczym sterownikiem bramki do pracy po wysokiej stronie 1200 V z izolacją galwaniczną certyfikowaną przez UL.
Wejściowe piny logiczne działają w szerokim zakresie napięcia wejściowego od 3 V do 15 V, wykorzystując skalowane poziomy progowe CMOS do obsługi nawet mikrokontrolerów 3,3 V. Transfer danych przez barierę izolacyjną jest realizowany za pomocą technologii bezrdzeniowego transformatora. Każdy sterownik z tej rodziny jest wyposażony w wejście logiczne i wyjście sterownika z blokadą podnapięciową (UVLO) i aktywnym wyłączaniem. Aby zapewnić prawidłowe przełączanie tranzystorów IGBT, urządzenie jest wyposażone w niezależną blokadę podnapięciową dla wejścia i wyjścia. Przy zasilaniu bipolarnym sterownik jest zwykle zasilany dodatnim napięciem 15 V na VCC2 i ujemnym napięciem -8 V na GND2 w odniesieniu do emitera IGBT. Ujemne zasilanie może pomóc w zapobieganiu dynamicznemu włączeniu z powodu dodatkowego ładunku generowanego przez pojemność wejściową IGBT (patrz rysunek 3 i 4).
Rys.3. Przykład aplikacji z zasilaniem symetrycznym dla 1EDC60H12AH.
Rys.4. Przykład aplikacji z zasilaniem symetrycznym i układem Millera na płytce z 1EDC20I12MH.
Druga płytka jest oparta na pojedynczym sterowniku bramki 1EDC20I12MH: 1200 V z izolacją galwaniczną z certyfikatem UL, aktywnym układem Millera i zabezpieczeniem zwarciowym. Jest galwanicznie izolowana z transformatorem bezrdzeniowym i nadaje się do pracy w wysokich temperaturach otoczenia oraz w aplikacjach szybkiego przełączania. Posiada certyfikat UL 1577 z napięciem probierczym izolacji VISO = 3000 V (rms) przez 1 s.
Typowe zasilanie tej płytki to 15 V na VCC2. Przypadkowemu włączaniu się modułu IGBT zapobiega tutaj układ Millera, którego wyjście CLAMP jest podłączone bezpośrednio do bramki układu (patrz rysunki 4 i 5).
Rys.5. Przykład aplikacji z zasilaniem pojedynczym i układem Millera na płytce z 1EDC20I12MH.
Aby zmierzyć prąd drenu MOSFETa, Infineon sugeruje wykorzystanie współosiowego bocznika prądowego, jaki pokazano na rysunku 6. Zapewnia on szerokie pasmo pomiaru i rezystancji, zależne od Rds(ON) badanego układu i używanego urządzenia pomiarowego.
Rys.6. Bocznik współosiowy do pomiaru prądu.
Działanie
Narzędziami potrzebnymi do testowania jest pomocniczy zasilacz zapewniający napięcie +12 V, generator funkcyjny z wyjściem PWM oraz źródło wysokiego napięcia (około 800 V). Schemat okablowania dostarczony przez firmę Infineon pokazano na rysunkach 7 i 8.
Rys.7. Schemat podłączeń zasilaczy. Układ w konfiguracji do testowania półmostka dla dolnego MOSFETa lub diody wbudowanej górnego.
Rys.8. Schemat podłączenia zasilaczy. Układ w konfiguracji półmostkowej do testowania MOSFETa po stronie wysokiej lub diody wbudowanej po stronie niskiej.
Po zamontowaniu dostarczonej płytki do płyty głównej należy ustawić zworki na wymagane napięcie zasilania. Następnie należy wlutować testowany element i współosiowy bocznik na płytkę drukowaną platformy i podłączyć źródło zasilania (napięcie stałe do 800 V), zasilanie pomocnicze (12 V), generator PWM oraz cewkę obciążenia. Następnie należy włączyć zasilacz 12 V i generator impulsów. Dalej można podnosić wysokie napięcie stopniowo, aż do uzyskania pożądanego poziomu. Wyłączanie układu należy zacząć od wyłączenia źródła wysokiego napięcia, a następnie zasilania pomocniczego i generatora.
Płytka sterownika V1 (zasilanie bipolarne) 1EDC60H12AH może być zasilana od + 15 V do -5 V, co zapobiega niepożądanemu załączeniu bramki. Płyta sterownika V2 (układ Millera) 1EDC20I12MH umożliwia uziemienie aktywnego zacisku Millera VGS do masy (0 V).
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/sic-technology-evaluation-platform/
Cool? Ranking DIY
