הביקוש להתקני הספק גדל בהתמדה, ומה שמניע אותו הדחף מצד תעשיות עתירות-חדשנות כגון כלי רכב חשמליים, אנרגיה מתחדשת ומרכזי נתונים. ליישומי הספק כיום יש דרישות יותר ויותר קשוחות, בעיקר במטרה להשיג יעילות גבוהה יותר (ופחות הפסדי הספק כתוצאה מכך), יחד עם הורדה במשקל ובגודל.
MOSFETs ו-IGBTs מבוססי-סיליקון מסורתיים, שפותחו ושופרו ללא הרף לאורך השנים, מפגינים את מגבלותיהם ביישומי הספק שבהם יש צורך בתדרי מיתוג גבוהים יותר, יכולת פיזור חום גבוהה יותר, משקל נמוך יותר וטביעת רגל קטנה יותר.
סיליקון קרביד (SiC) הוא מוליך-למחצה בעל תחום תדרים רחב שמתגבר על המגבלות של טכנולוגיות הסיליקון עקב יכולתו לפעול במתחים, בתדרים ובטמפרטורות גבוהים יותר ללא ספיגת כל נזק. למעלה מ-10 שנים לאחר השקתו בשוק, הגיע כעת ה-SiC לבשלות ולאמינות שמאפשרות שימוש בו ביישומי ההספק הקריטיים ביותר, כגון כלי רכב, אנרגיה מתחדשת, מרכזי נתונים, ותעופה וחלל.
פתרונות ה-SiC של Microchip
Microchip Technology, ספקית מובילה של מוליכים-למחצה ושל פתרונות בקרה מוטבעים חכמים, מחוברים ומאובטחים, מציעה לענף את תיק המוצרים הרחב והגמיש ביותר של דיודות מסוג SiC Schottky Barrier Diodes (SBDs), MOSFETs, מנהלי התקן הניתנים-להגדרת תצורה עבור דוחפי שערים דיגיטליים בפורמט של bare die, בדידים (דיסקרטיים) או כאלה המיועדים למודולי הספק (איור 1). Microchip גם יכולה להתאים את מודולי ההספק לדרישות הספציפיות של יישומי הלקוח.
איור 1: תיק מוצרי ה-SiC של Microchip
עם ניסיון של שני עשורים ומעלה בתכן ובפיתוח של SiC, פתרונות ה-SiC של Microchip מציעות את רמות הביצועים, הקשיחות והאמינות הטובות ביותר בשוק, מה שמאפשר למתכננים להפחית הן את עלויות הפיתוח ואת משך הזמן של היישום לשוק. Microchip מציעה גם את זמני מסירת ה-SiC הטובים בתעשייה, דבר שמתאפשר על ידי גישה המבוססת על רכישת פרוסות epi ממספר מקורות ועל ייצור בשיטת dual SiC fabs, שמעניקים ללקוחות ודאות בדבר מועדי האספקה.
הקשיחות של ה-MOSFETs מבוססי-ה-SiC של Microchip נתמכת על ידי תכן מדויק שמוודא יכולת מיתוג חוזרת בתדירות גבוהה יותר מסוג Unclamped Inductive Switching (UIS), דבר השולל את הצורך להוסיף snubber כדי להגן על ה-MOSFET מבוסס-ה-SiC מסטרס של מתח-יתר (מפולת). כאשר זרם הזורם דרך השראה מופרע באופן פתאומי, השדה המגנטי משרה כוח אלקטרומניע נגדי שמסוגל להפיק מתחים גבוהים מאוד בתוך ה-MOSFET עצמו. ולכן, עבור התקני הספק, חיוני להגיע לרמה גבוהה של עמידות, שמוגדרת כאן כיכולת להתנגד לפגיעה בשלמות ה-MOSFET של SiC כשהוא סופג UIS; אם לא, יידרשו רכיבים נוספים כדי להגן על ה-ה-MOSFET של SiC מפני מפולת. בנוסף למבחר ההתקנים העמידים ל-UIS, ה-MOSFETs של SiC מציעים גם ביצועי קצר “דמויי-IGBT” כדי לעבור זרמים ארעיים לא צפויים במערכת באופן בטוח.
כדי לעמוד בדרישות יישומי הספק המשתמשים בתדרי מיתוג גבוהים ובמתחי הפעלה גבוהים כדי להגדיל את היעילות ולהפחית את המשקל והנפח של הפתרון המוצע (כגון כלי רכב חשמליים, אנרגיה מתחדשת, תעופה וחלל ויישומים תעשייתיים), השיקה Microchip לאחרונה בשוק MOSFET של SiC למתח 3.3kV, שכוללים את ה-RDS(on) הנמוך ביותר בתעשייה (עד לרמה נמוכה של 25mΩ), ו-SiC SBDs שכוללים את דירוג הזרם הגבוה בתעשייה (90A).
למרות שנעשה כיום שימוש ב-3.3kV IGBTs ביישומים רבים, מהירויות המיתוג שלהם הן מוגבלות, מה שגורם לאובדני מיתוג גבוהים ולגודל רב של המערכת. השימוש ב-3.3kV SiC MOSFETs, מצד שני, מאפשר למתכננים להפחית הפסדים, גודל ומשקל של הפתרון; ולהפחית את מורכבותה של מערכת המורכבת ממספר רמות ל-2 רמות פשוטות בלבד. שני ההתקנים זמינים בפורמט die או package.
SiC: יתרונות ויישומים
בהשוואה להתקני הספק מסורתיים מבוססי סיליקון, כגון MOSFETs ו-IGBTs, פתרונות ה-SiC של Microchip מציעים את היתרונות העיקריים הבאים:
- טמפרטורת צומת גבוהה יותר וקירור משופר, RDS(on) נמוך יותר ויעילות גבוהה יותר
- מוליכות תרמית גבוהה יותר פי 3, ועקב כך צפיפות הספק גבוהה יותר ויכולות זרם גבוהות יותר
- מהירות רוויה גבוהה פי 2 של האלקטרונים, ועקב כך מיתוג מהיר יותר והפחתה בגודל (בנוסף, מהירות המיתוג הגבוהה יותר מאפשרת שימוש במגנטים, שנאים, מסננים ורכיבים פסיביים קטנים יותר, ובכך את הקטנת טביעת הרגל של הפתרון)
- הפסדי מיתוג נמוכים יותר
- קצב failure-in-time נמוך יותר פי 10 עבור פגיעות ניטרונים (neutron susceptibility) בהשוואה ל-IGBTs במתחים הנקובים
- השראה טפילית (תועה) נמוכה ביותר ברמה של פחות מ-9nH במודולי SiC
ניתן גם לשלב התקני SiC עם מוצרים אחרים של Microchip, כגון מיקרו-בקרים, מעגלים מודפסים לניהול הספק, חיישנים אנלוגיים, מקמ”שים אלחוטיים ובקרי מגע ומחוות, כדי ליצור פתרונות מלאים בעלויות נמוכות.
השווקים והיישומים הטיפוסיים שבהם עוסקים מוצרי ה-SiC של Microchip הם:
- תחבורה: הקשיחות, העמידות ומתחי הפעולה הגבוהים של התקני SiC הם חיוניים ליצירת מהפכי וממירי מתח יעילים, וכן התקני הגנה לשימוש בכלי רכב חשמליים (מכוניות, אוטובוסים, משאיות, רכבות, ספינות, eVTOL ומטוסים, ובתשתיות הטעינה.
- תעשייה: תדר מיתוג גבוה, הפסדים נמוכים וניהול תרמי מצוין הופכים את התקני SiC לפתרון האידיאלי ליישומים כגון בקרת מנוע, ספקי כוח ממותגים, UPS, ריתוך וחימום אינדוקציה.
- אנרגיות מתחדשות: ניתן להשתמש במהפכים מבוססי-SiC ביישומים פוטו-וולטאים ובטורבינות רוח כדי להפחית את הפסדי ההספק ולהגדיל את היעילות.
- רפואה: ספקי כוח אמינים, מוצקים ויעילים נדרשים בציוד אבחוני כגון MRI ורנטגן.
- תעופה וביטחון: תכונות ה-SiC מאפשרות להתקני הספק הפועלים עם החומר הזה לפעול במתחים גבוהים ובטמפרטורות גבוהות מבלי לסבול נזק. תיק מוצרי ה-SiC של Microchip כולל את משפחות BL1, BL2 ו-BL3 של מודולי הספק ללא בסיס, שעברו מספר רב של מבחני תיקוף התואמים את תקן RTCA DO-160G, ושמותאמים כיום ליישומי תעופה, כולל רחפני מטען ורחפנים כבדים.
ההשוואה בין האופן שבו RDS(on) משתנה עם הטמפרטורה ב-Si וב-SiC היא די משמעותית. ב-Si MOSFETs, התלות בטמפרטורה של RDS(on) (ראו איור 2) אינה משתנה עם המתח הנקוב של ההתקן, שכן ניידות האלקטרונים ב-Si MOSFETs נשלטת על ידי פיזור תרמי. בטווח טמפרטורות בין 25˚C לבין 150˚C, ערךRDS(on) גדל ביחס של כ-2.7 ל-1.
איור 2: RDS(on) לעומת טמפרטורה ב-Si MOSFET
באיור 3, במקום זאת, אנו יכולים לצפות באותו סוג של עקומה המתייחסת להתקן SiC של 1200V השייך למשפחת Microchip. במקרה כזה, בטווח טמפרטורות בין 25˚C לבין 175˚C, ערך RDS(on) משתנה בדרך כלל ביחס שבין 1.5 ל-1.8. לפיכך, בהשוואה לאיור הקודם, מדובר כאן בעקומה שטוחה כמעט לגמרי.
איור 3: RDS(on) לעומת טמפרטורה בהתקן SiC של 1200V
דוחפי שערים דיגיטליים ניתנים-לתכנות
כדי לפתור את האתגרים הקריטיים שעלולים לצוץ בעת הפעלת התקני הספק מסוג SiC ו-IGBT בתדרי מיתוג גבוהים יותר, פיתחה Microchip את משפחת ®AgileSwitch של דוחפי שערים דיגיטליים ניתנים-להגדרת תצורה. SiC MOSFETs במיוחד זקוקים לשליטה נאותה בהגדרת הפרמטרים הנכונים של דוחפי שערים. אם לא כן, עלול להיות מצב שבו ספייקים בזמן הכיבוי, צלצולים, הפרעות אלקטרומגנטיות ו-DSAT יגרמו נזק מוחלט להתקן.
דוחפי AgileSwitch מאפשרים למתכננים לבקר, לנטר ולהגן על יישומים מבוססי-SiC בעזרת טכנולוגיית מיתוג מרובד (Augmented Switching) וכוללים עד שבע הודעות תקלה ושמירה על תפעול בטוח ואמין. Microchip מציעה קו מוצרים מלא של לוחות התאמה בין מודולים וליבות של דוחפי-שערים, יחד עם לוחות דוחפי-שערים מסוג הכנס-והפעל לטיפול במגוון רחב של מודולי הספק מסוג SiC.
באיור 4 מוצגת ליבת דוחף-שער דו-ערוצית מסוג SiC של AgileSwitch עבור מודולי הספק של 1200V SiC. ליבות דוחף-השער, המשלבות את טכנולוגיית בקרת המיתוג המרובד, מציעות הגנה מוצקה נגד קצרים, וניתן להגדיר את תצורתן באופן מלא בעזרת תוכנה, כולל מתחי אספקת מתח שער של ±Vgs. היות ודוחפי SiC יכולים לעמוד בקצר למשך זמן מופחת-מאוד (כ-2–3 מיקרו-שניות), חיוני לאמץ פרמטרים להגנה נאותה מפני קצר בדוחף השער.
איור 4: ליבת דוחפי שער דו-ערוציים דיגיטליים ניתנים-להגדרה עבור 1200V SiC
שלא כמו דוחפי שער אנלוגיים מסורתיים, דוחפי השער הדיגיטליים האלה יכולים למתג עד 200kHz, הם ניתנים להגדרה מלאה דרך תוכנה, הם מונעים תקלות מדומות ומפחיתות צלצולים, הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) וכן overshoot ו-undershoot במודולי הספק של SiC ו-IGBT. כשהיא תקועה בלוח מתאם המודולים, ליבת דוחף השער הדיגיטלית מאפשרת למתכננים להעריך מודולים ודוחפי שערים במהירות ולהפחית את משך הזמן לשוק.
דוחף השער המוצג באיור 4 מספק עד 10A של זרם שיא וכולל ממיר DC/DC מבודד (עם מתח יציאה ניתן-לתצורה) ומחסום בידוד עם קיבול נמוך עבור אותות PWM ומשוב על תקלות. ה-Intelligent Configuration Tool (כלי להגדרת תצורה חכמה, או ICT) הוא ממשק GUI שמאפשר למשתמשים להגדיר במהירות את הפרמטרים הרלוונטיים של דוחף השער ללא הצורך לשנות את החומרה. התכונות הניתנות-להגדרה כוללות הפעלה וכיבוי של המיתוג המרובד, מתחי שער של ±Vgs (Vgs חיובי מ-15V עד 21V, Vgs שלילי מ-5V- עד 0V), נעילת תת-מתח ומתח-יתר של ספק הכוח, הגדרות זיהוי דה-סטורציה, זמן השבתה, נעילת תקלות והגדרות איפוס.
כלים וערכות פיתוח
תיק מוצרי ה-SiC של Microchip נתמך על ידי מבחר רחב של מודלי SiC SPICE התואמים את מודולי MPLAB® Mindi analog simulator ואת תכנוני הייחוס של לוח הדוחף (driver board). בנוסף לכך, כלי הגדרת התצורה החכם (ICT) מאפשר למתכננים להגדיר פרמטרי SiC רלוונטיים של דוחף-שער עבור משפחת AgileSwitch דוחפי-השער הדיגיטליים הניתנים-להגדרה של Microchip. ממשק ICT (ראו איור 5) מאפשר למתכננים להגדיר את התצורה של מספר פרמטרי דוחף-שער, כולל פרופילי המיתוג של השער, מוניטורים קריטיים-למערכת, והגדרות ממשק הבקר. ניתן לאפיין במהירות ובקלות התקנים חדשים, על ידי שינוי הגדרות הדוחף במעבדה או בשטח, ללא צורך בשום הלחמה. התוצאה היא דוחף-שער המותאם-אישית והממוטב לעמידה בדרישות היישום, ללא כל צורך בהחלפת חומרה. כדי לזרז עוד יותר את משך הזמן לשוק, ערכות הפיתוח המואץ ASDAK (ללא מודול SiC) וכן +ASDAK (עם מודול SiC) מכילות את אלמנטי החומרה והתוכנה הדרושים למיטוב ביצועי מודולי ומערכות ההספק של SiC, ויכולות לחסוך למתכננים כשלושה עד שישה חודשים בזמן פיתוח של תכנים חדשים.
איור 5: צילום מסך מתוך ה-Intelligent Configuration Tool
