Четыре ключевых преимущества SiC JFET: новый взгляд на защиту электрических цепей
В материале onsemi разбирается, почему SiC JFET и Combo JFET становятся ключевым выбором для твердотельных автоматических выключателей (SSCB): крайне низкое R_DS(on), стековая сборка в корпусе TOLL, измерение температуры и тока на кристалле, номинальное напряжение 750 В и простая схема управления.
В материале, опубликованном onsemi, рассматриваются SiC JFET и Combo JFET компании применительно к твердотельным автоматическим выключателям (SSCB). Твердотельные автоматические выключатели становятся основным выбором для защиты высоковольтных цепей. Однако чтобы реализовать их преимущества на системном уровне, критически важен выбор силового полупроводника — он напрямую определяет потери проводимости выключателя, его способность рассеивать тепло, размеры корпуса и долговременную надёжность. Материал по четырём измерениям — рабочая температура, размер корпуса, интеллектуальное измерение и простота применения — подробно разбирает, почему SiC JFET и Combo JFET onsemi стали ключевым технологическим выбором для проектирования твердотельных выключателей.
Первое, что заботит производителей автоматических выключателей, — нагрев. Любой полупроводник выделяет тепло при протекании через него тока. Это тепло можно оценить через сопротивление открытого канала, обозначаемое R_DS(on). Разумеется, и производители, и инженеры хотят, чтобы R_DS(on) было как можно меньше. При этом крайне низкое сопротивление открытого канала напрямую обеспечивает и три других преимущества SSCB на базе JFET: — крайне малые размеры; — надёжность; — простоту применения.
Причина 1: крайне низкая рабочая температура
EMB делит одну панель со многими другими выключателями. Поскольку множество компонентов приходится втискивать в тесное пространство выключателя, места для отвода тепла остаётся крайне мало. Поэтому производителей EMB естественным образом больше всего беспокоит нагрев.
Передовые полупроводниковые разработки играют здесь ключевую роль, поскольку снижение сопротивления напрямую уменьшает накопление тепла. JFET и Combo JFET onsemi в корпусе TOLL позволяют компактным компонентам достичь как можно более низкого сопротивления открытого канала R_DS(on).
Согласно сравнительной диаграмме, сопротивление открытого канала прибора onsemi EliteSiC составляет менее половины сопротивления ближайшего конкурирующего изделия в том же корпусе TOLL. Это даёт производителям твердотельных выключателей огромное конкурентное преимущество.
Крайне низкое сопротивление открытого канала
Рассматривается поперечное сечение SiC JFET onsemi без приложенного напряжения. Три вывода обозначены как исток, затвор и сток. Имеются два диода, каждый со своей ёмкостью: диод сток–затвор на p-n-переходе затвора и дрейфовой области и диод затвор–исток, смещаемый затвором JFET. Каждый канал вместе с областью затвора образует ячейку; в одном JFET параллельно работают тысячи таких ячеек.
Следует обратить внимание на область обеднения вокруг p-n-перехода сток–затвор. Из-за отсутствия подвижных носителей эта область обладает высоким сопротивлением. Напряжение не приложено, и JFET находится в несмещённом состоянии. В этом состоянии область обеднения достаточно мала и позволяет электронам свободно течь между истоком и стоком по прямому пути через открытый канал. На пути тока нет ни p-n-перехода, ни диода, отсутствует и поверхностный ток. Поэтому SiC JFET onsemi называют нормально открытым прибором.
Здесь путь тока проходит через высокопроводящий материал SiC. Благодаря этому JFET имеет крайне низкое сопротивление открытого канала при заданном номинальном напряжении.
При подаче положительного напряжения V_DS между стоком и истоком p-n-переход сток–затвор смещается в обратном направлении, и область обеднения расширяется. Если V_DS продолжает расти, канал сужается. В конечном счёте область обеднения заполняет канал, и наступает насыщение.
Далее, если через драйвер затвора подать положительное напряжение V_GS, p-n-переходы сток–затвор и затвор–исток смещаются в прямом направлении, и область обеднения сокращается. В зависимости от условий работы подача положительного V_GS — самый простой способ снизить сопротивление открытого канала примерно на 15% без добавления специальных схем. Когда главная цель — минимизировать потери проводимости, это 15-процентное снижение является важным преимуществом SiC JFET. Перевод напряжения затвор–исток в отрицательную область закрывает JFET.
Внедрив материал карбида кремния, onsemi разработала собственный метод утонения пластин, благодаря которому EliteSiC JFET стали меньше и меньше нагреваются.
В процессе изготовления полупроводниковых пластин при осаждении плёнок пластина, как правило, в той или иной степени коробится. Внутренние напряжения самой плёнки вместе с несовпадением коэффициентов теплового расширения (CTE) плёнки и подложки делают определённую степень коробления практически неизбежной. При утонении (шлифовке обратной стороны) коробление обычно усиливается.
onsemi разработала метод моделирования внутренних напряжений в пластине, вызывающих коробление. Это позволило инженерам усовершенствовать процесс утонения пластин и свести влияние коробления к минимуму.
Причина 2: крайне малый размер корпуса
Области применения нормально открытых JFET включают грозозащиту, ограничение бросков тока, замену EMB и другие. Однако большинство применений требует, чтобы выключатель был нормально закрытым.
Один из способов реализовать такой выключатель — соединить SiC JFET последовательно с низковольтным нормально закрытым Si MOSFET и подключить затвор JFET к истоку MOSFET. В стандартной каскодной конфигурации, применяемой в импульсных схемах, например трансформаторных, это соединение выполняется прямой перемычкой. Если затвор JFET напрямую соединён с истоком MOSFET, скорость переключения оказывается как минимум в 50 раз выше той, что могут выдержать автоматические выключатели и реле. Пытаться замедлить столь быстрое переключение нереалистично.
Другой способ — вывести затвор SiC JFET наружу и затем соединить прибор последовательно с Si MOSFET. Тогда пользователь может сам выбрать резистор или импеданс между затвором JFET и истоком MOSFET. Можно использовать простой резистор либо стабилитрон, пропускающий ток в обратном направлении.
Второй способ может быть практичным решением, особенно потому, что JFET и MOSFET очень дёшевы, однако из-за необходимости в двух компонентах выключатель займёт больше места. Есть и лучшее решение.
Решение onsemi — стековая сборка кристаллов. EliteSiC Combo JFET объединяет последовательно соединённые нормально открытый SiC JFET и нормально закрытый Si MOSFET. При этом и затвор JFET, и затвор MOSFET выведены наружу корпуса, а не соединены с истоком внутри него. Это позволяет пользователю подключать корпус любым способом, подходящим для приложения.
В этой конструкции кристалл SiC JFET (на иллюстрации синий) припаян серебряным припоем к центру медного основания корпуса. Кристалл Si MOSFET (жёлтый) размещён по центру поверх кристалла JFET. Затвор каждого кристалла выведен на отдельный вывод.
Ещё один способ сэкономить место — минимизировать число параллельно включённых компонентов.
Предположим, требуется изготовить автоматический выключатель на 240 В переменного тока с номинальным током 20 А, способный выдерживать перегрузку 1,2× в течение 2 часов. Применив классическую формулу джоулева нагрева P = i²R для расчёта рассеиваемой мощности, можно записать общий тепловой бюджет.
Ключевым фактором вновь оказывается требуемое R_DS(on). Если предположить, что рабочая температура удерживается на уровне 100 °C, сопротивление открытого канала естественным образом растёт пропорционально температуре.
Разделив обе части уравнения на квадрат тока, получаем требуемое сопротивление открытого канала.
Combo JFET onsemi UG4SC075005L8S на 750 В переменного тока при 150 °C обеспечивает сопротивление открытого канала 7,8 мОм — ниже 8,7 мОм, необходимых этому компоненту для эффективного отключения переменного тока.
Чтобы уложиться в целевое сопротивление открытого канала при удвоенных потерях проводимости, два Combo JFET нужно соединить встречно, то есть последовательно, с объединёнными истоками. Удвоение числа Combo JFET доводит число внутренних компонентов выключателя, отключающих ток, до четырёх (Combo JFET считается за два компонента).
Если выбрать аналогичный компонент конкурента в корпусе TOLL, то для выполнения требования по сопротивлению даже в варианте с минимальным числом компонентов потребуется 5 параллельных JFET (их номинальное сопротивление при 100 °C — 21 мОм), то есть всего 10 компонентов. Сравнение наглядно показывает: с Combo JFET onsemi ту же задачу по коммутации тока решают всего 2 прибора, число компонентов сокращается более чем на 60%, что не только экономит место на печатной плате, но и значительно уменьшает число точек отказа и сложность проектирования выравнивания токов между параллельными ветвями.
Измерение температуры на кристалле: JFET или Combo JFET
У SiC JFET есть часто упускаемое из виду достоинство — он способен измерять собственную температуру. Когда затвор смещается слегка положительно («перевозбуждение»), инжектируется очень малый (в диапазоне 1–5 мА), абсолютно безопасный ток. Этот малый ток делает V_GS положительным, причём V_GS меняется с температурой высокопредсказуемым образом. Измеряя падение V_GS, по формуле можно вывести температуру кристалла JFET.
Схема драйвера с измерением температуры содержит два дифференциальных усилителя, каждый из которых измеряет напряжение между JFET и истоком MOSFET. SiC JFET и Si MOSFET продублированы последовательно и зеркально расположены встречно для отключения переменного тока. Единое опорное напряжение подключено к точке общего истока, и дифференциальные усилители вычитают из него соответствующее V_GS. При включённом токе ток течёт от AC1 к AC2, создавая падение напряжения на каждом MOSFET.
Чтобы получить температуру кристалла, необходимо измерить напряжение от затвора каждого JFET до точки общего истока; выходы двух дифференциальных усилителей дают соответствующие значения.
Более точное показание температуры получают усреднением Tsense1 и Tsense2, то есть сложением этих двух значений и делением на 2.
Парные дифференциальные усилители часто используются для равного противофазного усиления шума, чтобы положительный и отрицательный шум при сложении взаимно компенсировались. Здесь используется именно этот приём: с помощью парных дифференциальных усилителей два падения напряжения |V_DS,MOSFET| взаимно компенсируются. Остаётся упрощённая формула, в которой температура равна произведению коэффициента усиления на разность опорного напряжения и среднего напряжения затвор–исток двух JFET.
Для снижения сопротивления открытого канала достаточно тока затвора всего около 1 мА. Хотя измерять температуру при столь малом токе затвора вполне возможно, ток в диапазоне 5–10 мА менее подвержен влиянию шумов.
Измерение тока: JFET или Combo JFET
Столь же изящный приём можно применить к JFET или Combo JFET для измерения тока. Метод требует двух одинаковых диодов D1 и D2, соединённых последовательно со стоком Combo JFET и способных блокировать высокое напряжение. При использовании драйвера затвора совместно с выводом DESAT (защита от рассыщения) через эти два диода можно пропускать малый ток в диапазоне от миллиампер до микроампер. Либо малый ток можно подать через резистор от источника питания драйвера затвора.
В обоих случаях нужен фиксирующий диод D1 и усилитель на нём, измеряющий падение напряжения на этом диоде. Это падение соответствует V_DS JFET. Зная температуру кристалла, легко оценить R_DS(on), а затем по закону Ома оценить ток стока без дополнительных датчиков.
Компенсация температурных эффектов
Зная температуру кристалла и ток стока, можно построить температурный компенсатор, немедленно реагирующий на перегрузку по току. Сопротивление открытого канала R_DS(on) Combo JFET растёт с температурой, то есть имеет положительный температурный коэффициент. При заданном токе с ростом температуры V_DS увеличивается, а V_GS уменьшается.
Если объединить эти два значения и подать их на быстрый аналоговый компаратор перегрузки по току, эти два напряжения взаимно компенсируются, устраняя влияние температуры.
Компаратор сравнивает V_DS с напряжением срабатывания, обеспечивая эффективную температурную компенсацию. Из-за нелинейной зависимости между R_DS(on) и T_sense,ave эффект компенсации несколько ослабевает. Однако в типичном диапазоне рабочих температур такой компенсации вполне достаточно, поэтому не требуется микроконтроллер или конечный автомат для цифровой подстройки температурной компенсации.
Могут потребоваться дополнительные схемы для решения вопросов выключения и повторного включения JFET, включая обработку времени бланкирования и сброс входного напряжения компаратора.
Причина 3: надёжность
JFET на карбиде кремния по своей природе обладают высокой способностью выдерживать импульсные токи. Рассматривается событие включения в схеме нефиксированной индуктивной коммутации, где напряжение питания через индуктивность кабеля подаётся на тот же JFET с сопротивлением 4,3 мОм, что используется в Combo JFET. Его номинальный пиковый импульсный ток IDM составляет 588 А; при этом показано переключение при 600 А с временем нарастания около 24 мс. Часть энергии, запасённой в индуктивности, поглощается JFET, остальное фиксируется параллельным металлооксидным варистором. Напряжение сток–исток V_DS до фиксации поднимается почти до 600 В. Это доказывает высокую способность SiC JFET выдерживать пиковые токи — большое преимущество, особенно в автоматических выключателях, где неизбежно приходится коммутировать очень высокие пиковые токи (намного выше номинальных).
Номинальное напряжение и запас по напряжению
При рассмотрении автоматических выключателей — как твердотельных, так и электромеханических — запас по напряжению является одним из важнейших факторов. Это не то же самое, что номинальное напряжение. Общепринятый диапазон входного напряжения для жилых и лёгких коммерческих применений — от 85 до 265 В переменного тока; пиковое напряжение равно максимуму этого диапазона, умноженному на √2, то есть 375 В.
Выключатель с номинальным напряжением 400 В переменного тока не обеспечивает необходимого запаса по напряжению. Причина в том, что энергия запасается как в кабелях от источника питания до точки подключения потребителя, так и в проводах от этой точки до выключателя.
При аварии с очень большими токами энергия, запасённая в кабелях и проводах, ведущих к выключателю, может быть очень велика. Если выключатель в такой ситуации размыкается, вся эта энергия должна куда-то уйти.
При использовании SiC JFET желательно сбросить в этот кристалл как можно большую часть этого тока. Но сам он способен поглотить лишь ограниченную энергию и точно не справится со всей энергией, запасённой в кабелях и проводах. Для поглощения избыточной энергии добавляют параллельный металлооксидный варистор (MOV) или супрессор переходных напряжений (TVS).
Приводится типичная вольт-амперная характеристика распространённого варистора. При номинальном напряжении сети постоянного тока V_DC нормальная рабочая область варистора — красная зона в левом нижнем углу. Зелёная зона — область тока утечки, ограниченная напряжением V1mA и током варистора 1 мА.
В области переходных процессов (серая зона) варистор начинает выполнять функцию защиты цепи. Точка, где пиковый ток Ipk пересекается с напряжением фиксации VCL, — начало области бросков тока (фиолетовая зона). Эта точка пересечения критически важна, поскольку перенапряжение в ней не должно быть слишком высоким, чтобы не повредить выключатель.
По опыту onsemi, характеристика MOV более «скруглённая», чем показано на графике, а значит, обычно ему требуется больше времени на срабатывание. При высоких пиковых токах на MOV появляется соответственно высокое напряжение. Используемый в SSCB JFET должен иметь достаточно высокое номинальное напряжение, чтобы при напряжении в нормальном рабочем диапазоне ток утечки MOV не был чрезмерным.
Все интегральные схемы имеют заданные конструкцией диапазоны рабочих напряжений и токов. Над нормальным рабочим диапазоном лежит безопасная зона перенапряжения, в которой схема не повреждается. При напряжении выше безопасной зоны перенапряжения схема ещё может кратковременно выдерживать более высокое напряжение. TVS — это лавинный диод, применяемый для фиксации перенапряжений и рассеивания сильных переходных бросков. Чтобы TVS выполнял свою функцию, он должен работать в безопасной зоне перенапряжения защищаемой схемы, не допуская попадания напряжения в зону повреждения прибора (красная область). При этом, как только напряжение возвращается в нормальный рабочий диапазон (синяя область), он не должен влиять на работу системы.
В отличие от приборов защиты от обратных бросков, TVS обладает высоким сопротивлением до достижения напряжения включения, после которого сопротивление резко падает. Для прибора-ограничителя напряжения напряжение включения должно быть выше нормального рабочего напряжения системы и одновременно достаточно низким, чтобы напряжение фиксации оставалось намного ниже диапазона повреждения. Сопротивление во включённом состоянии также должно быть крайне низким, чтобы удерживать низкое напряжение фиксации при различных видах угроз.
Дополнительные сведения приведены в техническом документе onsemi AND9009/D «Типы защиты от электрических перегрузок».
Кроме того, нельзя недооценивать фактор космического излучения. Когда напряжение на JFET приближается к напряжению пробоя, напряжённость электрического поля резко возрастает. С ростом напряжённости поля вероятность отказа прибора зависит от того, как в его конструкции реализовано блокирование напряжения. Когда приложенное напряжение превышает напряжение пробоя, вероятность одиночного пробоя с выгоранием (SEB), вызванного совершенно непредсказуемыми событиями космических лучей, растёт экспоненциально.
По этим причинам onsemi спроектировала свои JFET и Combo JFET с номинальным напряжением 750 В. Это не только повышает надёжность, но и упрощает применение в конструкциях выключателей с недорогими фиксирующими приборами (такими как TVS или MOV). В условиях перегрузки, особенно при выбросах напряжения (когда во время переходных процессов в источнике питания выходное напряжение превышает заданное установившееся значение), такое высокое номинальное напряжение обеспечивает больший запас безопасности.
Причина 4: простота применения
Как показывает схема, JFET и MOSFET в корпусе Combo JFET, применяемом в SSCB, легко управляются с помощью недорогих серийных компонентов. В схеме два Combo JFET соединены встречно, их истоки объединены в точку общего истока. При таком соединении оба прибора могут отключать переменный ток.
В этой конструкции один IGBT может непосредственно управлять затворами обоих Combo JFET, обеспечивая защиту от рассыщения по напряжению и току. При включении схемы резистор перевозбуждения R_ODV начинает ограничивать ток, втекающий в затвор каждого JFET. Скорость включения может быть невысокой, но для автоматического выключателя это может быть достоинством. Далее JFET сам устанавливает своё V_GS в зависимости от температуры.
Выключенное состояние задаётся подбором резистора в затворе JFET. Такой способ даёт отличный контроль скорости, поскольку весь заряд выходной ёмкости проходит через этот резистор.
MOSFET может управляться монитором напряжения, как показано на схеме, или отдельным драйвером затвора. Как только мощность драйвера затвора нарастает, MOSFET включается и остаётся во включённом состоянии. Поскольку он остаётся включённым, MOSFET не подвергается нагрузке и вероятность лавинного пробоя не возрастает. Далее коммутация управляется включением и выключением JFET, а скорость переключения регулируется подбором резистора в затворе. Вся энергия переключения уходит в SiC JFET — именно этого и требуется.
При такой конструкции схема может включаться и выключаться в аварийной ситуации так же, как и в нормальном режиме. Кроме того, схемой можно управлять импульсами, чтобы ограничить бросок тока при заряде конденсаторов.