Уникальные характеристики карбида кремния (SiC) делают его популярной заменой кремнию (Si) в ряде областей применения
В таких областях применения, как автомобилестроение, возобновляемые источники энергии и центры обработки данных основными факторами развития технологии устройств на основе карбида кремния являются возможное улучшение эксплуатационных характеристик, эффективности и плотности мощности. Тем не менее, улучшение рабочих характеристик и повышение компактности должно осуществляться с учетом обеспечения высоких скоростей переключения и токов большой силы, а также в соответствии с новыми требованиями к компоновке.
Несмотря на то, что переход к технологии SiC обеспечивает ряд преимуществ, проектирование кремниевых интегральных плат имеет меньшую стоимость и более широкое распространение. Как следствие, внедрение технологии SiC требует преодоления нескольких ключевых препятствий, первое из которых заключается в невозможности удовлетворения эксплуатационным требованиям при работе в неблагоприятных условиях окружающей среды, предъявляемым в рамках квалификационных испытаний, таких как HV-H3TRB. После того, как был решен ряд ранних проблем, связанных с надежностью, устройства на основе карбида кремния продемонстрировали возможность работы при повышенных напряжениях и с успехом выдержали более 1000 часов требуемых испытаний на стабильность в условиях высоких температур и влажности. Вторым препятствием, рассматриваемым одновременно с первым, является высокая стоимость. Многие схемотехнические решения имеют строгие ограничения по стоимости, однако устройства на основе карбида кремния оправдывают ожидания, связанные с отношением цены к рабочим характеристикам.
В последнее время наблюдается переход от теоретических рассуждений к практической реализации. Никто уже не оспаривает эксплуатационные и экологические преимущества технологии SiC, отраженные в технических данных; тем не менее, устройства на основе карбида кремния видятся не просто заменой кремниевым. Новые графики освоения для оптимизации схемотехнических решений и преодоления проблем, связанных с компоновкой, уже разработаны и представлены. Одним из потенциальных ограничений внедрения технологии SiC стал шум.
Увеличение скоростей переключения, возникновение паразитных явлений в системе и усложнение топологии печатных плат повышают актуальность проведения предварительных измерений электромагнитных помех (ЭМП). Измерения ЭМП, гарантирующие, что уровень шума устройств на основе карбида кремния не превышает значения, характерного для кремниевых решений, должны периодически выполняться на ранних стадиях разработки. Хорошая новость заключаются в том, что для получения достоверных результатов предварительных измерений ЭМП в устройствах на основе карбида кремния разработчику силовой электроники не нужно становится экспертом в области измерения ЭМП.
В настоящей статье приводятся основные сведения об электромагнитных помехах и рассматриваются соответствующие средства и методики испытаний. Эти данные легли в основу практического примера, в рамках которого выполняется сравнение результатов измерения ЭМП для импульсного источника питания (SMPS), поставляемого с кремниевыми полевыми МОП-транзисторами (MOSFET), с результатами, которые получены для того же SMPS, оснащенного полевыми МОП-транзисторами на основе карбида кремния.
Основные сведения об ЭМП и возможные причины их возникновения
Электромагнитные помехи возникают при непредусмотренной передаче помеховых сигналов из одной цепи в другую или в систему в целом. ЭМП делятся на два типа: излучаемые и кондуктивные. Излучаемые ЭМП распространяются в пространстве путем радиоизлучения. Кондуктивные ЭМП, как правило, передаются одним из трех способов: через паразитные импедансы, межкомпонентные соединения или заземление.
В силовой электронике возникновение ЭМП непосредственно связано со следующими четырьмя проблемными областями:
• паразитная индуктивность в окрестности устройства питания и его нагрузки;
• индуктивность в цепи затвора, которая может являться частью схемы управления или корпуса;
• соединение между драйвером затвора и устройством питания (и нагрузкой);
• соединение между дорожками на подложке модуля и основной платой (имеющей малую емкость).
Паразитная индуктивность особенно проблематична в случае схемотехнических решений, для которых характерны большие скорости переключения при высоких уровнях напряжений и токов. В этих условиях наблюдается повышение значений dv/dt и di/dt, поэтому паразитная индуктивность всего в несколько наногенри может приводить к существенным просадкам напряжения.
Кроме того, повышенные скорости переключения вызывают появление токов смещения большой силы. Ток может протекать через любой проводник, включая корпус, кронштейны и крепежные элементы.
Высокоуровневые выбросы тока смещения могут вводиться в радиатор модуля вследствие большого значения dv/dt на выходе.
В силовых каскадах избыточная индуктивность может также приводить к положительным и отрицательным выбросам при переключении, а также к колебаниям (т. н. «звону»). Колебания вызывают особенно большие проблемы, поскольку их наличие приводит к увеличению вероятности возникновения излучаемых и кондуктивных ЭМП.
Инструменты и принадлежности для проведения испытаний
Применение продуманных методов измерения ЭМП позволяет ускорить выполнение процедур поиска и устранения неисправностей, а также проверки устройств и систем, работающих на технологии SiC. Для разработчиков силовой электроники периодическое проведение проверки на ЭМП предоставляет следующие возможности:
• выявление источников паразитных излучений;
• получение информации, помогающей в решении проблем и оптимизации схемотехнических решений;
• увеличение вероятности успешного прохождения полноценных испытаний на соответствие.
Перед отправкой промышленного образца на проведение формальной верификации крайне важно обеспечить выполнение предварительных испытаний на соответствие в лаборатории. К счастью, большой объем аналитической информации может быть получен с помощью прибора, присутствующего почти на каждом испытательном стенде — осциллографа (рисунок 1).
Для выполнения требуемых измерений в частотной области рекомендуется использовать осциллограф с подходящими характеристиками (работа на частоте 1 ГГц и выше), поддерживающий функцию быстрого преобразования Фурье (БПФ), функцию масштабирования БПФ во временной области и функцию перекрытия кадров (для компенсации влияния оконных функций БПФ). Кроме того, прибор должен обладать низким уровнем шума и высокой входной чувствительностью, что позволяет расширить возможности обнаружения и анализа низкоуровневых излучений.
Еще одним рекомендуемым инструментом является ПО для проведения предварительных испытаний на соответствие, такое как RTx Pre-Compliance Software от компании Rohde & Schwarz (R&S). В ПО представлены специальные процедуры и определены предельные условия испытаний, соответствующие требованиям ключевых международных стандартов, что упрощает выполнение испытаний и анализа для пользователей, не имеющих специальной технической подготовки. ПО обеспечивает возможность оперативного получения легко интерпретируемых результатов и позволяет создавать окружение, гарантирующее воспроизводимость результатов испытания. Вариант использования осциллографа с указанным ПО рассматривается в рамках приведенного ниже практического примера.
Практический пример измерения ЭМП: сравнение технологий SiC и Si
Не так давно компания Wolfspeed, ведущий производитель силовой SiC-электроники, объединилась с компанией R&S для определения того, приведет ли замена кремниевых полевых МОП-транзисторов на аналоги на основе карбида кремния к увеличению уровня шума в системе. В качестве испытуемого образца использовался стандартный импульсный источник питания (SMPS).
Отдельные серии измерений ЭМП были выполнены как для кремниевых, так и для полевых МОП-транзисторов на основе карбида кремния, установленных в SMPS. Для проведения измерений были использованы осциллограф реального времени компании R&S, пробники для измерения напряженности электромагнитного поля в ближней зоне, эквивалент полного сопротивления сети (LISN) и ПО для проведения предварительных испытаний на соответствие компании R&S. Задача заключалась в успешном прохождении специального сертификационного испытания, выполняемого для электрического и электронного оборудования, которое используется в промышленной среде (например, EN61000-6-4, класс B).
Первое испытание выполнялось для кремниевых полевых МОП-транзисторов, которые были установлены в блок, успешно прошедший предварительное испытание на соответствие. Как показано на рисунке 2, результаты измерения находятся значительно ниже предельных значений (фиолетовая и голубая линии).
Затем кремниевые полевые МОП-транзисторы были заменены на аналоги на основе карбида кремния. В обоих случаях применялись соответствующие методы шумоподавления и оптимизации. На рисунке 3 показаны результаты измерения для конфигурации в корпусе TO-247-3. Как и в случае кремниевых полевых МОП-транзисторов, результаты измерения находятся значительно ниже предельных значений, что говорит о готовности устройств к прохождению испытаний на соответствие.
На рисунке 4 показаны результаты испытания после изменения конфигурации корпуса на TO-247-4. Как и в предыдущем случае, результаты находятся ниже предельных значений: разность между линией средних значений (красная кривая) и голубой предельной линией составляет более 10 дБмкВт; эта конфигурация также готова к прохождению испытаний.
Заключение
Общее направление развития схемотехнических решений указывает на то, что устройства на основе карбида кремния продолжат доказывать свою значимость в устройствах высокой мощности, таких как электромобили, инверторы для солнечных батарей, ИБП для центров обработки данных и др. Решение задачи устранения шума, являющегося основным препятствием на пути внедрения устройств на основе карбида кремния, значительно упростилось благодаря использованию осциллографов, специализированного ПО и соответствующих принадлежностей.
С помощью этих инструментов разработчики силовой электроники могут с легкостью выявлять источники ЭМП, применять соответствующие методы подавления и оптимизировать схемотехнические решения в рамках повседневной работы. В ряде случаев переход от кремниевых устройств к карбиду кремния потребует лишь применения умеренных мер по снижению шума для надежного удержания уровня ЭМП в заданных пределах.
Rohde & Schwarz
Переходите на оф сайт R&S Россия