Моделирование стандартных топологий с SiC MOSFET

Введение

Необходимо учитывать не только основные принципы разработки, общие для SiC и Si, но и отличительные особенности характеристик, возможностей и преимущества карбидокремниевых приборов, а также использовать методы моделирования и симуляции для проверки того, насколько разрабатываемые изделия отвечают своему исходному назначению. Как некогда для кремниевых приборов, к настоящему времени для моделирования SiC-устройств появились оптимизированные инструменты и модели от разных поставщиков. Несмотря на различия между такими инструментами симуляции как LTspice, PLECS и SpeedFit 2.0 Design Simulator от Wolfspeed, рекомендации от экспертов компании Wolfspeed обеспечат требуемую точность моделирования работы SiC-приборов.

Статическая симуляция с помощью LTspice

Spice-модели от Wolfspeed оптимизированы для температурного диапазона 25–150°C. Работа внутреннего диода оптимизирована под управляющее напряжение затвор–исток V_GS = –4 В для устройств 3-го поколения и –5 В – для 2-го. Симуляцию можно осуществлять с учетом самонагрева, тепловой характеристики в переходном процессе и паразитной индуктивности. Однако не моделируются паразитные биполярные и соответствующие эффекты, процесс лавинного пробоя, а также вариации напряжения включения внутреннего диода в зависимости от напряжения V_GS.

Результаты статической симуляции с помощью LTspice – вольтамперная характеристика при разных значениях V_GS и характеристика внутреннего диода – хорошо согласуются с фактическими измерениями. В частности, результаты статической симуляции входной емкости C_ISS, выходной емкости C_OSS и емкости обратной передачи C_RSS довольно-таки хорошо соответствуют результатам измерений.

Двухимпульсный тест

Типичным эталонным тестом для определения динамической характеристики является двухимпульсное испытание полумостовой схемы. Результаты симуляции без учета паразитных элементов значительно отличаются от измеренных значений (см. рис. 1). Поскольку потребление энергии влияет на эффективность, такая большая разница существенно влияет на тепловые расчеты.

Рис. 1. Результаты двухимпульсных испытаний при идеальной симуляции: коммутационные потери примерно на 45% ниже приведенных в техническом описании испытуемого устройства U2

В рассматриваемом тесте за длинным импульсом следует интервал в 1 мкс, после чего проходит короткий импульс. Параметры включения и выключения измеряются обычным способом, как и в случае кремниевых приборов. Более пристальный взгляд на диаграммы сигналов (см. рис. 2) позволяет установить разницу между фактическими и идеальными результатами симуляции.

Рис. 2. Сравнение осциллограмм показывает, что фактическая длительность фронта импульса при включении составляет 39 нс, тогда как при симуляции это время равно 22,83 нс; фактическое время спада – 20 нс, в симуляции – 13,63 нс

Время нарастания и спада импульсов, полученное с помощью симуляции, намного меньше измеренных значений, поскольку на фактические результаты влияют индуктивности: паразитная Lm между двумя устройствами и индуктивность корпуса L_КОРП. Кроме того, имеется разница между результатами измерения выбросов на фронтах импульсов при включении и выключении. Эти различия вносят вклад в общую разницу между величинами коммутационных потерь.

Чтобы получить точную модель, в симуляции следует учесть значения индуктивностей. С другой стороны, в тепловую модель в PLECS не входят паразитные компоненты.

Расчет Lm

Lm – индуктивность между истоком устройства U1 на стороне высокого напряжения и стоком устройства U2 на стороне низкого напряжения. Ее можно не только непосредственно измерить, но и рассчитать следующим образом (см. рис. 3):

Рис. 3. Информацию, извлеченную из фактического сигнала, можно использовать для расчета Lm

, где V_Lm = V_IN – V_DS; в рассматриваемом примере di/dt = 1,105 ∙ 10⁹; V_IN = 606 В и V_DS = 580,9 В.

Получаем: Lm = 23,1674 нГн.

В любой схеме – синхронной понижающей, синхронной повышающей, полумостовой или мостовой – скорее всего, топология печатной платы разработана таким образом, что первичная и вторичная стороны отделены друг от друга. При соблюдении требований к топологии величина Lm находится в диапазоне 20–25 нГн, что можно считать эмпирическим правилом, используемым в симуляциях.

Расчет L_КОРП

На практике оказывается, что величина L_КОРП разная у стандартных корпусов TO-247 от разных поставщиков. Эти различия обусловлены вариациями толщины выводных рамок, отличиями в проволочном монтаже и длине плеча на корпусе. Если величина этой паразитной индуктивности указана в техническом описании, ее можно легко учесть в моделировании. В противном случае она извлекается из результатов измерения сигнала и экстраполируется:

, где V_Lкорп = V_DS − V_Lds + V_DSon = –11,515 В; L_DS = 6,5372 нГн для Spice-модели; V_DS = ~ –27,8 В для фактического сигнала; V_Lds = –15,035 В; V_DSon = 1,25 В при 20 A из технического описания на C3M0065090D, а di/dt = –2,3 ∙ 10⁹.

В нашем примере L_КОРП = 2,503 нГн. Несмотря на вариации, это значение можно считать хорошей оценкой и надежным практическим правилом. Симуляция с учетом индуктивностей позволяет получить точную динамическую модель (см. рис. 4).

Рис. 4. Учет полученных значений индуктивностей в модели LTspice приближает ее к результатам фактических измерений

С учетом индуктивностей результаты измерения E_КОМ, E_ВКЛ и E_ВЫКЛ мало чем отличаются от результатов симуляции с использованием двухимпульсного теста. Применяя эти практические рекомендации для индуктивностей Lm и L_КОРП, можно довольно точно рассчитать потери и тепловой режим.

Параллельные MOSFET

SiC MOSFET часто устанавливают параллельно, чтобы увеличить допустимую нагрузку по току, а также мощность. Однако необходимо учитывать следующие факторы:

• несбалансированность тока из-за различий в пороговых напряжениях V_ПОР;
• несбалансированность тока из-за асимметричных паразитных индуктивностей;
• колебания напряжения в цепи затвора.

При использовании SiC MOSFET от Wolfspeed вероятность несоответствия характеристик устройств очень мала. Однако при необходимости использовать другие SiC-компоненты с более широким допуском следует понимать, что у устройства с меньшим значением порогового напряжения – более выраженный переходный процесс и потому выше потери на переключение и проводимость. Следовательно, суммарные потери мощности больше (см. рис. 5).

Рис. 5. Из-за дисбаланса токов суммарные потери устройства с пороговым напряжением 2 В почти вдвое больше, чем у 3-В устройства

Хотя сопротивление в цепи затвора R_G у обоих устройств одинаковое и работают они при одинаковой температуре и коммутационной частоте, моделирование показывает, что суммарные потери U1 превышают 200 Вт, а у U3 они чуть больше 100 Вт. Моделирование показывает, что пиковое значение тока устройства U1 достигает 70 А, прежде чем оно окажется в установившемся состоянии с током на уровне 50 А. Пиковый ток U3 достигает 49 А и стабилизируется до значения 30 А. Таким образом, допустимые нагрузки по току двух этих устройств существенно различаются. Кроме того, имеются небольшие различия по времени включения и выключения.

Рис. 6. Разница в паразитной индуктивности Ls устройств U1 и U3 в этом примере специально выбрана значительной, чтобы продемонстрировать влияние несоответствия

Вторая причина дисбаланса тока – асимметричные паразитные элементы. Рассмотрим два устройства – U1 и U3 (см. рис. 6), у которых одинаковые значения порогового напряжения, но разные индуктивности истоков. В результате возникают ярко выраженные переходные процессы, напряжения на паразитных индуктивностях и драйверах затворов, а также токи стока. Полученные при  моделировании осциллограммы показывают, что ток нарастает и спадает намного быстрее у U3, а его I_DC и I_СКЗ достигают более высоких значений, что приводит к увеличению потерь переключения на 17,9% и общих потерь в этом MOSFET на 18,3%.

Выводы

Схемы с использованием SiC-приборов можно моделировать с помощью симуляторов SpeedFit от Wolfspeed, LTspice или PLECS. Инструментами SpeedFit и LTspice можно пользоваться бесплатно, зарегистрировавшись на сайте Wolfspeed, а за PLECS взимается абонентская плата. Различия между этими инструментами влияют не только на способ осуществления расчетов, но и на их ограничения, например при работе с паразитными элементами и вычислении потерь.