Use MOSFET basados en SiC para mejorar la eficiencia de la conversión de la alimentación

El aumento de los requisitos de alimentación, los mandatos regulatorios y los estándares relacionados con la eficiencia y los problemas de EMI impulsan la necesidad de que las fuentes de alimentación usen dispositivos de conmutación de alimentación debido a que son más eficientes y cuentan con un rango operativo más amplio. Al mismo tiempo, los diseñadores están bajo presión constante para reducir costos y ahorrar espacio. Frente a estos requisitos, lo que se necesita es una alternativa a los MOSFET clásicos basados en silicio (Si).

El carburo de silicio (SiC) se convirtió en una clara opción, luego de madurar y alcanzar la tercera generación. Los FET basados en SiC ofrecen muchas ventajas de rendimiento, en particular con respecto a la eficiencia, la mayor confiabilidad, la menor cantidad problemas de administración térmica y el menor espacio. Estos se aplican en todo el espectro de alimentación y, si bien pueden requerir algunos ajustes, las técnicas de diseño no exigen ningún cambio radical.

Este artículo compara brevemente el Si con el SiC, presenta ejemplos de dispositivos de SiC de Wolfspeed y muestra cómo comenzar a crear diseños con ellos.

MOSFET de SiC versus MOSFET de Si

Primero, es importante ser claro sobre la tecnología y la terminología: los FET basados en SiC son MOSFET, al igual que sus predecesores de silicio. En sentido amplio, las estructuras físicas internas son similares, y ambos son dispositivos de tres terminales con conexiones de fuente, drenaje y compuerta.

Tal como lo indican sus nombres, presentan la siguiente diferencia: los FET basados en SiC usan SiC como material base en lugar de silicio solo. Muchos en la industria se refieren a ellos como dispositivos de SiC y dejan de lado los MOSFET. Este artículo se referirá a ellos como FET de SiC.

¿Por qué usar un compuesto de SiC como material? Por múltiples razones profundas relacionadas con la física, el SiC presenta tres características eléctricas principales que difieren significativamente del silicio, y cada una tiene ventajas operativas; también existen otras más sutiles (Figura 1).

Figura 1: Comparación aproximada entre las propiedades clave del material de SiC y los materiales sólidos de Si y GaN En comparación con el Si, el SiC cuenta con una mayor ruptura crítica, conductividad térmica e intervalo de banda. (Fuente de la imagen: Researchgate)

Estas son:

• Mayor voltaje crítico de campo eléctrico de ruptura de aproximadamente 2.8 megavoltios por centímetro (Mvolts/cm) versus 0.3 Mvolts/cm, por lo que es posible operar a un voltaje nominal determinado con una capa mucho más delgada, lo que reduce en gran medida la resistencia de encendido.
• Mayor conductividad térmica, lo que permite una mayor densidad de corriente en un área de sección transversal.
• Brecha de banda más ancha (la diferencia de energía [en eV] que hay entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción en semiconductores y aislantes) que tiene como resultado una corriente de fuga más baja a altas temperaturas. Por esta razón, los diodos y los FET de SiC a menudo se denominan dispositivos de WBG (brecha de banda ancha).

Como resultado, en términos aproximados, los dispositivos basados en SiC pueden bloquear voltajes hasta diez veces más altos que los dispositivos de silicio y cambiar aproximadamente diez veces más rápido con una resistencia de encendido de la mitad o menos a 25 °C. Asimismo, la capacidad de funcionar a temperaturas mucho más altas, 200 °C versus 125 °C, facilita el diseño y la gestión térmica.

Controlador de compuerta crítico para obtener beneficios

Un dispositivo de alimentación no funciona sin un controlador de compuerta, que traduce las señales de control digital de bajo nivel en señales de corriente y voltaje necesarias junto con el tiempo requerido por el dispositivo de alimentación (al tiempo que proporciona cierta protección contra la mayoría de los tipos de fallas externas). Para los FET de SiC, el controlador debe incluir funciones adicionales para proporcionar lo siguiente:

• Minimizar las pérdidas de conducción y conmutación, así como las pérdidas de la puerta. Estas pérdidas incluyen la energía de apagado y encendido, el efecto Miller y los requisitos de corriente de la puerta de entrada. La energía de apagado es una función de la resistencia de la puerta y del voltaje de puerta a fuente en el estado de reposo. Para reducirlos, se debe drenar más corriente de la puerta. Una de las formas de hacer eso es que el conductor aplique una polarización negativa al voltaje de la puerta durante el tiempo de reposo. Del mismo modo, la energía de encendido se reduce al reducir la resistencia de la puerta.
• Minimizar el efecto Miller y sus consecuencias negativas, donde la capacitancia parásita puede provocar un encendido involuntario en algunas circunstancias y configuraciones de aplicación. Este encendido inducido por Miller aumenta la energía de recuperación inversa y aumenta las pérdidas. A modo de solución, el conductor puede contar con lo que se llama una función de protección de abrazadera de Miller, que controla la corriente del controlador durante la conmutación de la etapa de alimentación.
• Proporcionar el disipador y la fuente de corriente necesarios a los voltajes apropiados. Los dispositivos de SiC generalmente requieren una unidad de puerta de polarización positiva más alta (+20 voltios) que los MOSFET de silicio para minimizar las pérdidas; también pueden necesitar un voltaje negativo de puerta de APAGADO entre -2 y -6 voltios. La corriente de compuerta requerida se determina mediante los cálculos habituales basados en la carga de compuerta (Q_g), V_DD, la corriente de drenaje I_D, el voltaje de puerta a fuente y la resistencia de compuerta y, generalmente, es del orden de unos pocos amperios. Esta corriente debe tener una capacidad adecuada de disipador y fuente a una velocidad de respuesta proporcional a la velocidad de conmutación del FET de SiC.
• Modelar y minimizar los parásitos de placa y dispositivo (inductancias y capacitancias parásitas) que pueden causar oscilaciones, sobrecrestas de voltaje/corriente y disparos falsos a las velocidades de conmutación más altas de estos dispositivos. Los MOSFET de silicio tienen una pequeña "cola" de corriente que actúa como soporte o amortiguador para reducir la sobrecresta y el zumbido en cierta medida. Los MOSFET de SiC no tienen esta cola, por lo que la sobrecresta y el zumbido del voltaje de drenaje pueden ser mayores y causar problemas. Disminuir estos parásitos requiere prestar especial atención a los problemas de diseño, minimizar las longitudes de los conductores y ubicar el controlador lo más cerca posible del dispositivo de alimentación. Incluso unos pocos centímetros pueden marcar la diferencia, ya que el efecto de estas inductancias y capacitancias parásitas es más pronunciado a las velocidades de conmutación más altas de los FET de SiC. La reducción del zumbido también tiene un segundo beneficio, ya que reduce la generación del EMI asociado con la conmutación de alta velocidad tanto del lado del controlador como del lado de la carga del dispositivo.

A pesar de los problemas adicionales que conlleva el manejo de los MOSFET de SiC, muchos proveedores disponen de circuitos integrados estándar diseñados para este fin, con atributos que se adaptan a las necesidades específicas de los dispositivos de SiC. Tenga en cuenta que en muchos diseños los controladores de puerta y los FET de SiC deben estar aislados galvánicamente de los circuitos de bajo voltaje. Esto se puede implementar mediante técnicas ópticas, de transformadores de pulso o de aislamiento capacitivo utilizando componentes estándar. El aislamiento es necesario, primero por seguridad para proteger a los usuarios de altos voltajes en caso de mal funcionamiento del circuito y, segundo, en las muchas topologías de circuito donde el MOSFET no está inherentemente conectado a tierra, como las configuraciones de puente.

Nuevos dispositivos demuestran capacidades de rendimiento

El primer MOSFET de SiC de empaquetado comercial, el CMF20120D, fue presentado por Wolfspeed en enero de 2011 (Wolfspeed es la división de alimentación y RF de Wolfspeed; el nombre se anunció en 2015); las obleas de SiC estuvieron disponibles unos años antes. Fue clasificado a 1200 voltios/98 A con resistencia de encendido de 80 mΩ (todo a 25 °C) y disponible en un paquete TO-247. Wolfspeed pronto siguió con un proceso de 2^.ª generación y ahora ofrece dispositivos MOSFET de SiC de 3^.ª generación designados como dispositivos C3M (Figura 2).

Figura 2: La comparación de la estructura del proceso de SiC de 2^.ª generación (izquierda) y de 3^.ª generación (derecha) de Wolfspeed muestra diferencias modestas, pero estas secciones transversales no muestran la mejora resultante en las especificaciones de rendimiento. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

Por ejemplo, entre los miembros de la primera plataforma MOSFET de SiC de 900 voltios de la industria se encuentra el C3M0280090J. Se optimizó para aplicaciones de electrónica de alimentación de alta frecuencia, incluidos inversores de energía renovable, sistemas de carga de vehículos eléctricos y fuentes de alimentación industriales trifásicas (Tabla 1).

Tabla 1: Los atributos de nivel superior del MOSFET de SiC C3M0280090J de Wolfspeed muestran su idoneidad para inversores de energía renovable, sistemas de carga de vehículos eléctricos y fuentes de alimentación industriales trifásicas. (Fuente de la tabla: Wolfspeed)

Además de las especificaciones de voltaje/corriente, este dispositivo está optimizado para conmutación de alta velocidad con bajas capacitancias, tiene un paquete de baja impedancia con una conexión de fuente de controlador (Figura 3), incluye un diodo intrínseco rápido con una baja carga de recuperación inversa (Qrr) y tiene una amplia distancia eléctrica (~7 milímetros (mm)) entre el drenaje y la fuente.

Figura 3: El C3M0280090J de Wolfspeed tiene un paquete de baja impedancia con una conexión de fuente de controlador. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

Esta plataforma de 900 voltios permite sistemas de conversión de alimentación de próxima generación más pequeños y de mayor eficiencia a un costo que está a la par de las soluciones basadas en silicio, pero con especificaciones superiores. El gráfico del área de operación segura (SOA) resume las capacidades de este FET de SiC (Figura 4). Cuando el voltaje de drenaje a la fuente (V_DS) es bajo, la corriente máxima está limitada por la resistencia en estado; y con V_DS moderado, la pieza puede sostener 15 A por cortos períodos de tiempo.

Figura 4: El gráfico SOA para el Wolfspeed C3M0280090J muestra sus capacidades I_DS frente a V_DS . (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

El empaquetado afecta el rendimiento

Wolfspeed también ofrece tres dispositivos con especificaciones similares: el C3M0075120D, el C3M0075120Ky el C3M0075120J,pero con diferencias en gran medida debido a su empaquetado (Figura 5).

Figura 5: Wolfspeed ofrece el mismo FET de SiC de 1200 voltios en tres paquetes con especificaciones más o menos similares pero no idénticas. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

Si bien los números proporcionan los hechos, hay más en la historia. El dispositivo de sufijo D está en un paquete de tres terminales (TO-247-3), mientras que el sufijo K está en un paquete de cuatro terminales (TO-247-4). Estos dos dispositivos, así como el dispositivo de sufijo J de siete terminales, incluyen un pin de fuente Kelvin que reduce los efectos del aumento de voltaje inducido por L × di/dt en el circuito de la puerta. Esto permite que se aplique más voltaje en la compuerta y la fuente, lo que da como resultado una conmutación dinámica más rápida. Los resultados muestran una reducción potencial en las pérdidas de conmutación en un factor de 3.5 cuando los dispositivos se miden cerca de su corriente nominal.

Las placas de evaluación y los diseños de referencia aceleran el éxito

Aunque en el extremo opuesto del espectro de los diseños de RF de frecuencia de gigahercios, la creación de un circuito de alto rendimiento para funcionar a voltajes y rangos de alimentación más altos aún requiere atención a los detalles. Cada sutileza e idiosincrasia de los componentes y del diseño se magnifican, y el circuito físico no perdona los problemas y descuidos más pequeños.

Para ayudar a los diseñadores a evaluar los FET de SiC como el C3M0075120D y el C3M0075120K, Wolfspeed ofrece el kit de evaluación reductor-elevador KIT-CRD-3DD12P para demostrar el rendimiento de conmutación de alta velocidad de estos dispositivos (Figura 6). Está diseñado para aceptar tanto el paquete de tres terminales del C3M0075120D como el paquete de cuatro terminales del C3M0075120K, por lo demás idéntico. Esto permite al diseñador probar y comparar el rendimiento de los MOSFET de 3.ª generación (C3M) de Wolfspeed en varios paquetes.

Figura 6: El kit de evaluación KIT-CRD-3DD12P proporciona una forma conveniente de evaluar el rendimiento tanto del C3M0075120D empaquetado en TO-247 de tres terminales como del C3M0075120K de cuatro terminales; tenga en cuenta el gran disipador térmico y el inductor toroidal para permitir un rendimiento térmico superior. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

El kit de evaluación viene en una configuración de medio puente y permite la adición de un MOSFET o un diodo en las posiciones superior e inferior, por lo que la placa se puede configurar en topologías de conversión de energía comunes, como reductor síncrono o elevador síncrono. También permite agregar diodos en las posiciones superior e inferior para que los usuarios puedan evaluar una topología de convertidor reductor asíncrono o elevador asíncrono.

Además, para reducir la pérdida de alimentación, el kit incluye un inductor de baja pérdida compuesto de "sendust". También conocido como Kool Mµ, este polvo de metal magnético, compuesto de 85% de hierro, 9% de silicio y 6% de aluminio, se usa como una alternativa al Permalloy debido a sus especificaciones mejoradas para parámetros magnéticos y de temperatura clave.

Para los usuarios que necesitan diseñar su propio subcircuito de controlador de compuerta, Wolfspeed también ofrece el diseño de referencia del controlador de compuerta CGD15SG00D2 para estos FET de SiC de 3^.ª generación (Figura 7).

Figura 7: La parte superior (izquierda) y la parte inferior (derecha) del diseño de referencia del controlador de compuerta CGD15SG00D2: una placa completa con una BOM completa, así como una disposición para que el usuario evalúe el rendimiento del paquete TO-247 de tres contra cuatro cables utilizando el mismo molde de MOSFET de SiC. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

El diagrama de bloques de alto nivel (Figura 8) del CGD15SG00D2 muestra las funciones de este diseño de referencia, incluido el optoacoplador (U1), el circuito integrado del controlador de compuerta (U2) y la fuente de alimentación aislada (X1). El optoacoplador (aislamiento de CA de 5000 voltios) acepta señales de modulación por ancho de pulsos (PWM) y proporciona inmunidad en modo común de 35/50 kilovoltios (kV)/microsegundo (µs) (mínimo/típico). Otras características notables incluyen lo siguiente:

• Una ranura para mejorar la especificación de fuga obligatoria entre el lado lógico y el lado de alimentación del circuito impreso, y una ranura de mejora de la fuga de 9 mm entre los circuitos primario y secundario de la placa.
• Una fuente de alimentación aislada de 2 vatios que admite el funcionamiento de MOSFET más grandes a frecuencias más altas.
• Resistencias de encendido y apagado de compuerta separadas con un diodo destinado a permitir al usuario personalizar y optimizar las señales de encendido y apagado.
• Un inductor de modo común en la entrada de alimentación lógica para mejorar la inmunidad EMI.

Figura 8: Este diagrama de bloques de alto nivel del diseño de referencia del controlador de compuerta CGD15SG00D2 muestra sus principales bloques funcionales: optoacoplador U1, controlador de puerta de circuito integrado U2 y fuente de alimentación aislada X1. (Fuente de la imagen: Wolfspeed)

Conclusión

Los MOSFET de SiC de tercera generación de Wolfspeed ofrecen importantes ventajas de rendimiento en cuanto a eficiencia y capacidades térmicas para aplicaciones de conmutación de alimentación en comparación con los MOSFET de Si tradicionales. Cuando se combinan con un controlador adecuado, proporcionan un rendimiento confiable y consistente para aplicaciones emergentes y establecidas.