Оценка стойкости диодов Wolfspeed SiC Шоттки к dV/dt с помощью генератора импульсов на основе лавинного транзистора

Появление более 10 лет назад коммерческих диодов Шоттки на основе карбида кремния (SiC Шоттки) позволило значительно улучшить характеристики таких устройств, как корректоры коэффициента мощности (PFC) и инверторы приводов. Этого удалось достичь благодаря отсутствию у SiC-приборов заряда обратного восстановления не основных носителей и соответствующему снижению уровня коммутационных потерь, свойственных традиционным PiN-диодам. Широкое распространение SiC-диодов Шоттки было несколько затруднено из-за проблем с надежностью, связанных с ограничениями по параметру dV/dt. В частности, приборы с низкой стойкостью к dV/dt оказались более подверженными отказам при воздействии больших пусковых токов.

Первоначальные исследования этой проблемы в отношении SiC-диодов Шоттки с напряжением 600 В выявили, что верхний предел dV/dt у них составляет 55–60 В/нс. Поскольку в этих опытах участвовали SiC-диоды, производимые не компанией Wolfspeed, то последующие исследования проводили специалисты Wolfspeed на собственных компонентах [1, 2]. Их анализ показал, что диоды Wolfspeed могут выдерживать скорость включения 75 В/нс и выключения 100 В/нс в течение более 100 тыс. циклов без разрушения. Конечным результатом этих и других исследований явилось требование для производителей элементной базы указывать стойкость к dV/dt в качестве критерия надежности SiCдиодов Шоттки.

В данной работе дано описание скоростного высоко вольтного генератора импульсов, используемого для оценки стойкости карбидокремниевых диодов компании Wolfspeed к dV/dt. Поскольку диоды Wolfspeed не выходили из строя во время предварительного тестирования с использованием типовых параметров, для определения их предельных свойств необходимо разработать более быстродействующий генератор импульсов. Он должен быть в состоянии подвергать тестируемые приборы гораздо более высоким значениям dV/dt, чем наблюдаются при нормальной эксплуатации силовых преобразователей. В оригинальных экспериментах, выполняемых Wolfspeed, время переключения составляет примерно 5 нс. Генератор со временем переключения, приближающимся к 1 нс, может быть изготовлен с использованием доступных в настоящее время лавинных транзисторов и транзисторов Wolfspeed C2M SiC MOSFET. Разработка схемы и конструкции, а также измерение характеристик высокоскоростного генератора импульсов будут описаны вместе с оценкой стойкости к dV/dt SiC-диодов Шоттки с напряжением 600 и 1200 В

Условия эксплуатации

Устойчивость к воздействию dV/dt является одним из требований, устанавливающих ограничение скорости переключения в режиме «жесткой» коммутации. В этом можно убедиться на примере корректора коэффициента мощности (PFC, рис. 1), где применение SiC-приборов становится все более популярным. Предельная скорость переключения MOSFET М1 ограничена максимальным значением dV/dt бустерного диода D1.

В данном примере потери включения М1 исследуются для двух вариантов диодов с лимитом dV/dt на уровне 50 и 100 В/нс. Первый этап анализа предполагает использование идеальных компонентов (без учета паразитных параметров) и идеального линейного режима коммутации. Рассмотрим следующее исходное состояние: транзистор М1 выключен, ток 20 А протекает через дроссель L1, что приводит к открыванию диода D1 и прохождению тока в нагрузку RLOAD. Напряжение на конденсаторе С2 составляет 800 В. Когда MOSFET М1 включается, D1 мгновенно оказывается обратно смещенным, а относящееся к нему ограничение dV/dt (50 В/нс или 100 В/нс) задает максимальную скорость нарастания напряжения «сток–исток» (VDS) dV/dt силового транзистора.

Эпюры напряжения «сток–исток» VDS и тока стока ID MOSFET показаны на рис. 2 для двух значений dV/dt (этот параметр имеет отрицательное значение, поскольку напряжение падает). Предполагается, что время спада тока одинаково для обоих случаев. Мгновенная мощность силового транзистора (p = I×V) и энергия переключения (E = ∫P×dt) рассчитаны на основе полученных данных, результаты представлены на рис. 3.

Пиковая мгновенная мощность равна для обоих рассматриваемых случаев, она также одинакова в ходе нарастания тока в процессе коммутации (t = 5–10 нс). Однако время, которое требуется для того, чтобы мощность упала до нулевого уровня для случая 50 В/нс, оказывается в два раза больше. Энергия переключения Esw при нарастании тока (от 5 до 10 нс) одинакова для обоих случаев. Основное отличие величины Esw наблюдается во время спада напряжения (>10 нс). Энергия переключения для варианта 50 В/нс в этом же временном интервале в два раза выше, чем при dV/dt = 100 В/нс.

Очевидно, что такая разница оказывает сильное влияние на общее значение энергии динамических потерь. Величина Esw_tot для случая 50 В/нс составляет 168 мкДж по сравнению с 104 мкДж, т. е. на 61,5% больше, чем при dV/dt = 100 В/нс. Отметим, что коммутационные потери определяются как произведение частоты на энергию переключения. Существенная разница значений Esw для этих двух случаев иллюстрирует необходимость обеспечения максимальной стойкости к dV/dt для минимизации коммутационных потерь, повышения эффективности системы и даже возможности работы на более высоких частотах.

Генератор импульсов с последовательно включенными лавинными транзисторами

Оценка стойкости к dV/dt требует формирования очень быстрых высоковольтных импульсов. Для этого используются разнообразные приборы, например генераторы на основе реле, увлажненных ртутью [3], и лавинных транзисторов [4–12]. Ртутные реле исторически использовались для создания экстремально быстрых фронтов. К сожалению, для формирования высоковольтных импульсов, необходимых для данных исследований, требуется разработка реле специальной конструкции. Второй широко используемый подход связан с применением биполярного транзистора (BJT) в лавинном режиме. Это происходит, когда напряжение «коллектор–эмиттер» превышает предельное значение VCEO, и транзистор переходит в состояние вторичного пробоя.

При ограничении времени перехода транзистора в режим вторичного пробоя он может быть использован как очень быстрый высоковольтный ключ с низким уровнем джиттера. Этот способ подходит для тестирования стойкости мощных SiC-приборов к dV/dt, однако характеристики и надежность обычных биполярных транзисторов не гарантируют их продолжительную работу в таком режиме. Существуют так называемые лавинные BJT-приборы, специально разработанные для использования в состоянии вторичного пробоя. Генераторы на основе лавинных транзисторов широко используются для управления ячейками Поккельса, фотохронографами, лазерами и пр. Они являются отличным выбором и для настоящих исследований.

Для формирования высоковольтных импульсов лавинные транзисторы соединяются последовательно. Такая же схема была реализована и в данной работе. Характеристики генератора импульсов, показанного на рис. 4, оценивались на активной нагрузке 200 Ом. Напряжения измерялись с помощью высоковольтного пробника, подключенного непосредственно к разъему BNC, с адаптером, позволяющим устранить индуктивность заземляющего провода. Эпюры были получены с помощью цифрового осциллографа с частотой дискретизации 350 МГц (время нарастания — 1 нс) и пробника с частотой 400 МГц, 100V1 (время нарастания — 900 пс). Общее время нарастания сигнала, обусловленное частотными характеристиками осциллографа и пробника, составляет 1,35 нс.

В схеме использованы три последовательных транзистора с максимальным значением VCEO = 40 В. В установившемся режиме работы входное напряжение 400 В делится поровну, в результате чего напряжение «коллектор-эмиттер» VCE на каждом транзисторе достигает 133 В, что находится очень близко к лавинному состоянию. Схема работает следующим образом: на вход подается импульс управления, что вызывает лавинный пробой транзистора Q3. Далее вследствие «эффекта домино» происходит развитие лавинного процесса в двух остальных транзисторах. После этого конденсатор С1, подключенный к верхнему терминалу схемы, разряжается в течение менее чем 2 нс. Результатом описанного процесса является формирование отрицательного импульса с высоким значением dV/dt на нагрузочном резисторе RLOAD. Форма выходного импульса со временем нарастания 1,35 нс представлена на рис. 5.

 

Тестирование стойкости диода SiC Шоттки к dV/dt

Наличие аттестованного высокоскоростного генератора импульсов позволяет протестировать стойкость к dV/dt диодов Шоттки Wolfspeed C3D03060A (600 В, 3 А). Цель испытаний состояла в использовании новой измерительной установки для подачи очень быстрого импульса на диод C3D03060A и проверки возможного уровня ограничения по dV/dt. Подобная процедура позволяет провести более надежную оценку серии диодов C3D, чем это было сделано в предыдущих исследованиях. Лавинный генератор импульсов создан на основе последовательного соединения кремниевых биполярных транзисторов 2N5551 (VCEO_max = 160 В) для достижения более высоких значений переходных напряжений. В ходе проверки нагрузочный тестовый резистор 200 Ом (RLOAD) был заменен на испытуемый диод DUT (Device Under Test), а амплитуда испытательного импульса была установлена на уровне 800 В. Схема установки показана на рис. 6, результаты теста — на рис. 7.

Базовое значение dV/dt для диода с напряжением 600 В составляет 50 В/нс [13]. Это примерно в три раза выше, чем показали предыдущие измерения, выполненные Wolfspeed. Как и ранее, в ходе этих испытаний не произошло ни одного отказа. Полученные данные наглядно демонстрируют стойкость диода C3D03060A и всего семейства C3D к dV/dt. Для подтверждения результатов испытаний необходимо провести дальнейшие тесты, однако проведенные измерения уже показали, что диоды Wolfspeed Шоттки C3D способны выдерживать более 300 В/нс. Следующим логическим шагом является проведение аналогичных испытаний диодов Wolfspeed семейства C4D с рабочим напряжением 1200 В, чтобы подтвердить их стойкость к dV/dt

В качестве испытуемого прибора (DUT) для этих тестов был выбран диод C4D10120A (1200 В, 10 А). Схема испытательной установки показана на рис. 8. Тестовое напряжение VDD в ней установлено на уровне 1000 В. Следует отметить, что схема генератора импульсов должна быть изменена, для того чтобы учесть новую величину VDD, а также тот факт, что номинальное напряжение VRRM = 1200 В у диода C4D10120A вдвое больше, чем у C3D03060A.

Два кремниевых транзистора 2N5551 заменены на один Wolfspeed SiC MOSFET C2M0080120D. Он быстро включается с помощью импульса, подаваемого на оставшийся в схеме лавинный транзистор 2N5551. Открывание SiC MOSFET-ключа вызывает разряд подключенного к верхней клемме SMD-конденсатора на общий провод, в результате чего обратно смещенный импульс 1000 В прикладывается к испытуемому диоду DUT. Измерение напряжения проводилось с помощью низкоимпедансного резистивного делителя, чтобы минимизировать дребезг.

Как показано на рис. 9, измеренное обратное значение dV/dt составляет 490 В/нс. Это примерно в шесть раз выше типового значения 80 В/нс, приводимого для SiC JBS-диодов с напряжением 1200 В [15]. В ходе испытаний не было выявлено ни одного отказа. Полученные результаты наглядно демонстрируют стойкость к dV/dt JBS-диодов C4D10160A и дают четкое подтверждение надежности всего семейства C4D.

Заключение

Стойкость SiC-диодов Шоттки к воздействию dV/dt является проблемой для многих разработчиков. Цель данной работы состояла в создании высокоскоростного генератора импульсов, способного подвергнуть тестируемое устройство воздействию импульса с показателем dV/dt, значительно превышающим реальные значения, что необходимо для оценки надежности SiC-диодов Шоттки Wolfspeed семейств C3D и C4D. Диоды Wolfspeed продемонстрировали стойкость к dV/dt, в шесть раз превышающую общепромышленные показатели. Измеренные в ходе тестов значения dV/dt составили 295 и 490 В/нс соответственно. Важно отметить, что в ходе испытаний не произошло ни одного отказа, а значит, фактические возможности диодов Wolfspeed превышают измеренные значения. Во время написания статьи предельные показатели dV/dt для этих устройств остаются неизвестными.

Перевод:

Евгений Карташов;
Андрей Лебедев
cree@macrogroup.ru

 
 
 
 
 
 
 
 
Обратная связь

Нажимая кнопку "Отправить" вы даёте согласие на обработку персональных данных