SiC MOSFETy od diskrétních pouzder k modulům. Jak z nich dostat to nejlepší

STMicroelectronics se už dlouho pohybuje v oblasti komponentů pro výkonovou elektroniku. Zvláště výkonové součástky z karbidu křemíku (nebo i v češtině běžnější anglický název Silicon-Carbide neboli SiC) zažívají nevídaný růst.

Prakticky pro všechny nové průmyslové a automobilové aplikace s větším výkonem v řádu jednotek, desítek a stovek kilowatt vývojáři minimálně uvažují o jejich použití a využití jejich výhod. Asi nemá cenu zdůrazňovat tyto výhody, k tomu bylo napsáno již mnoho článků a prezentací, ať už od ST, nebo i jiných dodavatelů. V principu už vývojář výkonových spínaných zdrojů nemusí přemýšlet, jestli SiC ano, či ne, ale spíše jaký a v jakém pouzdře.

Výběr správného pouzdra záleží na rozmanitých parametrech. Na obr. 1 jsou stručně zmíněná pouzdra používaná pro SiC MOSFETy, ale z nich tento článek zdůrazní dvě konkrétní pouzdra a jejich chování.

Nejprve diskrétní pouzdro HiP247-4, což je speciální pouzdro dovolující velmi vysokou provozní teplotou čipu až 200 °C. To již samo o sobě značně zjednoduší vývoj a používání MOSFETu – není třeba tak pečlivě kontrolovat maximální ztráty na čipu. Navíc kromě standardních vývodů Drain/Source/Gate je zde ještě čtvrtý vývod pro řízení. Tento vývod (označovaný také jako kelvin source) se používá k oddělení hlavní proudové cesty zátěže od proudu řízení MOSFETu. To vede k mnohem lepšímu chování při spínání a tím i ke zvýšení účinnosti.

Pro demonstraci efektu byla provedena reálná měření na obou variantách tj. na SCTWA70N120G2V, což je 21mΩ 1 200V SiC mosfet, a na SCTWA70N120G2V-4, což je stejný MOSFET, ale s vyvedeným kelvin sourcem. Na obr. 2 je jasně vidět efekt tohoto oddělení řídicí a proudové cesty. Pro lepší názornost je dobré přepočítat energie Eon a Eoff přímo na zapínacích a vypínacích ztrátách ve wattech (počítáno při spínací frekvenci 48 kHz). Zde u aplikace při proudové zátěži 30 A vyjdou u třívývodového pouzdra spínací ztráty 25,5 W a při použití čtyřvývodového pouzdra 15,8 W. To znamená, že ve stejné aplikaci, při prakticky identickém layoutu a rozmístění součástek, lze ušetřit až 10 W na jeden spínač. Pokud uvažujeme o aplikacích, jako jsou rychlé nabíječky elektrických vozidel, kde jsou použity desítky SiC MOSFETů, je to již rozdíl extrémní.

Druhé pouzdro, na které se podíváme blíže, je ACEPACK™ SMIT. Jedná se o unikátní modul pro povrchovou montáž SMD. Polovodiče jsou umístěny na měděné fólii, která je připevněna na keramický izolační substrát (DBC). Tato struktura je zalisovaná do obalu na bázi epoxidu (over-molded epoxy compound). Struktura DBC se skládá ze 3 vrstev: mědi, substrátu z oxidu hlinitého a mědi. Vrstva oxidu hlinitého poskytuje požadovanou izolaci. Chlazení pouzdra ACEPACK SMIT je zajištěno připojením protilehlé (k desce plošných spojů) horní strany k externímu chladiči. Tak je možné ze zařízení odvést maximální ztrátový výkon a optimalizovat tepelné ztráty.

Tento modul dovoluje integrovat různé polovodičové součástky − jak jednotlivé spínače, tak i vícekomponentové topologie pro výkon od 1 kW do 50 kW s nízkou parazitní indukčností a nízkým tepelným odporem. Například STTD6050H-12M2Y je ACEPACK SMIT s kvalifikací pro automotivní aplikace, který obsahuje řízený vstupní můstek (dvě 1 200V, 60A usměrňovací diody a dva 1 200V, 60A thyristory). Toto pouzdro používá i STGSB200M65DF2AG, což je 650V, 200A IGBT.

A samozřejmě v tomto pouzdře lze integrovat i SiC MOSFETy. V modulu SH25M12W2 jsou dva SiC MOSFETy 1200 V a 25 mΩ, zapojené do půlmůstku.

Použití tohoto SiC půlmůstku je ukázáno na obr. 4, kde vidíme porovnání návrhu desky plošných spojů dvou ekvivalentních řešení – dva diskrétní SCTWA70N120G2V-4 (1 200 V, 21 mΩ) nebo jeden modul SH25M12W2 (2× 1200 V, 21 mΩ). Výhoda použití modulu je očividná. Naznačená délka komutační smyčky je výrazně menší a dovoluje umístit SMD kondenzátor přímo k vývodům modulu. Spolu se zkrácením vývodů díky povrchové montáži i zkrácení tras uvnitř modulu se tím minimalizují rozptylové indukčnosti.

Jedním z omezení maximální rychlosti přechodových jevů typicky viditelných u SiC MOSFETů je překmit po vypnutí. Je to úbytek napětí na parazitní indukčnosti v komutační smyčce vynásobený dI/dt. Vzhledem k výše uvedenému použití ACEPACK umožňuje v aplikaci zvýšenou rychlost spínání a snížení spínacích ztrát.

Oba tyto zmíněné příklady ukazují, že to nejsou jenom Rdson, proudové a napěťové parametry MOSFETů (tzn. parametry polovodičového čipu samotného), které určují výsledné chování a výkon aplikace, ale i správné pouzdro může vše zlepšit. A to obzvlášť v aplikacích se SiC, ve kterých přenášený elektrický výkon dosahuje i stovky kilowatt.