Vermogenselektronica met SiC-MOSFET’s

Silicon Carbide voor hoge spanning en grote stroom

Voor het maken van een motorregeling die moet werken met stromen van 30 A per fase en spanningen tot 650 V zijn bijzondere schakeltransistoren een must. Zeker als ook het rendement belangrijk is, kan niet zomaar elke standaardtransistor gebruikt worden. Apex Microtechnology heeft voor deze toepassing onlangs een complete driver uitgebracht die is uitgerust met Silicon Carbide halfgeleiders en alle elektronica voor de uitgangstrap bevat in een module van ongeveer 4 x 5 cm.

Silicon Carbide is een materiaal dat we kennen als carborundum, het materiaal waar o.a. schuurpapier mee gemaakt wordt. We kunnen dit echter ook gebruiken voor het maken van halfgeleiderelementen. Dit worden dan schakelelementen met eigenschappen die voor vermogenselektronicatoepassingen zeer gewenst zijn. Hoge spanningen, grote stromen, lage weerstand in geleiding en uitstekende thermische eigenschappen zijn de meest belangrijke. Afbeelding 1 toont als voorbeeld het verschil in schakelgedrag tussen een standaard IGBT en een SiC-MOSFET. Doordat hij veel sneller schakelt, wordt er veel minder warmte opgewekt hetgeen het rendement verhoogt en minder problemen veroorzaakt met betrekking tot het afvoeren van de geproduceerde warmte.
Halfgeleiderelementen van SiC bieden dus grote voordelen, die we ook terug vinden in de grootte van het uiteindelijke apparaat. Grote koellichamen en eventuele geforceerde koeling is niet of minder snel noodzakelijk.

SA110
Al weer een aantal maanden geleden bracht Apex de SA110 uit. Dit is hun eerste halve H-brug driver voorzien van Silicon Carbide MOSFET’s. Dit IC bevat naast de H-brug ook de elektronica voor het aansturen van de MOSFET’s met een frequentie van maximaal 400 kHz en stromen tot 28 A continue.
Met integratie van de aansturing van de FET’s wordt de schakelsnelheid aanzienlijk verbeterd omdat parasitaire impedanties worden verminderd en gemakkelijker te beheersen zijn. Ook bevat de module diverse beveiligingsfuncties.
Deze hybride wordt aangeboden in een 12-pins PSIP-behuizing (afbeelding 2) met een compacte footprint. Door het toepassen van Silicon Carbide MOSFET’s is de SA110 ideaal voor toepassingen waarbij de nadruk ligt op prestaties bij te hoge temperaturen, hoge efficiëntie en een compact ontwerp.

Drie in één
Een stap verder is de SA310 die onlangs uitgekomen is. Dit is een volledig geïntegreerde driefase driver die voornamelijk is ontworpen voor het aansturen van Brushless DC (BLDC), Permanent Magneet Synchroon (PMSM) motoren of DC/AC-converters. Ook deze module maakt gebruik van Silicon Carbide MOSFET-technologie om de efficiëntie te verbeteren ten opzichte van andere componenten in zijn klasse. Drie onafhankelijke halve H-bruggen zorgen voor een maximale uitgangsstroom van 80 A onder directe microcontroller of DSC-besturing. Afbeelding 3 toont het blokschema van het inwendige. Dit is in feite drie maal de SA110 in één behuizing. Wel moeten we daarbij opmerken dat de SA310 qua eigenschappen verder gaat dan de SA110.
De SA310 is gebouwd op een thermisch geleidend, maar elektrisch geïsoleerd substraat. Dit vergemakkelijkt het inbouwen van de module in uw applicatie. Er hoeft immers geen rekening gehouden te worden met isolatie van de module ten opzichte van het koellichaam en alles dat rondom geplaatst wordt.
De beveiligingsfuncties omvatten een Under-voltage lockout (UVLO) en actieve Miller-clamping om schakelgeluid te verminderen en de betrouwbaarheid te verbeteren. Ook inbegrepen in de module zijn Silicon Carbide Schottky Barrier-vrijloopdiodes om de MOSFET’s te beschermen. Er zijn daardoor geen externe uitgangsbeveiligingsdiodes nodig. De geïntegreerde gate-drivers van de SA310 zorgen voor galvanische scheiding tussen de ingangen en hoogspanningsuitgangen. Ook dit maakt dat het ontwerp waarin de module gebruikt wordt eenvoudiger kan zijn. Apex heeft er voor gezorgd dat een microcontroller zonder extra interfacing direct de uitgangen kan sturen.

Onderspanningsvergrendelingsfunctie
Zoals gezegd heeft de SA310 een ingebouwde onderspanningsvergrendelingsfunctie. Wanneer V_CC onder ongeveer 9 V zakt, wordt de module afgeschakeld en hebben de uitgangen een hoge impedantie. Wanneer V_CC boven de 10 V komt, keren de uitgangen terug naar de normale bedrijfsmodus. Om storingen als gevolg van ruis te voorkomen, is op V_CC bovendien een vertraging van ongeveer 2,5 μs ingesteld.

Applicatie
Afbeelding 4 toont een applicatievoorbeeld hoe de SA310 gebruikt kan worden. Te zien is dat de schakeling uiterst simpel is. Niet weergegeven is de filtering van de uitgangen. Het spreekt voor zich dat hiervoor de gebruikelijke filtering en ontkoppeling wordt toegepast om o.a. EMC-problemen te voorkomen.
Vanuit de microcontroller gaan zes signalen naar de SA310. Dit zijn signalen waarmee elke FET apart aangestuurd wordt. Vanuit de microcontroller is het dus mogelijk om de motor geheel los te koppelen van zowel de voedingsspanning als de ground. De sturing van de uitgangstrap is voorzien van een beveiliging die voorkomt dat beide MOSFET’s tegelijkertijd in geleiding komen. Alle ingangen hoog maken leidt er dan ook niet toe dat alle FET’s in geleiding komen en dus een interne kortsluiting veroorzaakt. Worden alle ingangen van een H-brug hoog gemaakt, dan schakelen de FET’s de stroom uit en komt de brug in een toestand van hoge impedantie terecht.
Adequate ontkoppeling van de hoogspanningsvoedingen is een vereiste voor een goede werking. Als u dit niet doet, kan dit een onregelmatige werking en een laag rendement veroorzaken, evenals overmatig jitter van de uitgangen. De VS-voeding moet worden ontkoppeld met minimaal een 1 μF keramische condensator parallel aan een condensator van minimaal 10 μF per ampère uitgangsstroom. Dit moet wel een condensator zijn met een lage ESR. De keramische condensator van 1 μF moet fysiek rechtstreeks worden aangesloten op de +V_S – en P_GND -verbindingen. Zelfs een centimeter print- of kabellengte veroorzaakt overmatige jitter aan de uitgangen. Dit komt door de zeer snelle schakeltijden en de parasitaire inductie van de aansluitingen. De ontkoppeling van het V_CC is minder streng, maar nog steeds noodzakelijk. Een keramische condensator van 0,1 μF tot 0,47 μF die rechtstreeks is aangesloten tussen de V_CC -pin en de D_GND , dicht bij de SA310, is voldoende.

De drie weerstanden in de afzonderlijke GND-lijnen zijn bedoeld voor het meten van de uitgangsstroom. Zoals dit in dit voorbeeld gebruikt wordt, levert dit geen galvanische scheiding op. Mocht dit noodzakelijk zijn, dan zijn er voldoende oplossingen met extra onderdelen om dit te verwezenlijken.

Niet goedkoop
De voordelen van de SiC-technologie krijgt u helaas niet voor niets. We kunnen rustig stellen dat de beide drivers van Apex behoorlijk kostbaar zijn. Daar staan echter de vele voordelen tegenover. Als eerste is dat de eenvoud waarmee een applicatie te maken is, maar belangrijker is het feit dat de betrouwbaarheid van een driver met SiC-technologie veel hoger is. Neem alleen al het formaat van de totale applicatie. Afbeelding 5 toont een plaatje van de evaluatie-kit die voor de SA310 leverbaar is. Hierin is te zien, hoe klein een driver voor het sturen van een zware motor kan zijn.