Fabrication de PCB de pilotes de grille SiC MOSFET | Contrôle de puissance à large bande interdite

Les pilotes de grille de MOSFET au carbure de silicium permettent une commutation ultra-rapide (temps de montée/descente de 10 à 100 ns), un fonctionnement à haute température (jonction de 175 à 200 °C) et une efficacité supérieure, ouvrant la voie aux groupes motopropulseurs de véhicules électriques de nouvelle génération, aux chargeurs rapides DC et aux entraînements industriels compacts fonctionnant à des fréquences de commutation de 20 à 100 kHz et plus, atteignant une efficacité >99 % et une densité de puissance 5 à 10 fois supérieure à celle des IGBT au silicium, avec un fonctionnement réussi sur des millions de cycles de commutation rapides sur des durées de vie de 15 à 20 ans.

Chez APTPCB, nous fabriquons des PCB de pilotes de grille SiC avec des processus de qualité aérospatiale et défense, mettant en œuvre des tracés à très faible inductance, des commandes de tension de grille négative et des fonctions de protection avancées. Nos capacités prennent en charge les MOSFET SiC, des chargeurs rapides de 650 V aux onduleurs de traction de 1700 V, pour des courants allant de 100 A à plus de 800 A, avec une caractérisation complète à haute fréquence.

Gestion de la commutation ultra-rapide

Les MOSFETs SiC commutent 5 à 10 fois plus vite que les IGBTs en silicium, atteignant des temps de montée de 10 à 50 ns, ce qui permet une commutation de 50 à 100 kHz et réduit la taille et le poids des composants magnétiques. Cependant, la commutation ultra-rapide crée des défis : l'inductance parasite sub-nanohenry provoque un dépassement excessif et une surtension ; les circuits de commande de grille nécessitent des courants de crête de plusieurs ampères ; les interférences électromagnétiques augmentent, nécessitant une disposition et un blindage soignés des PCB ; et l'équipement de mesure doit capturer des transitoires à l'échelle de la nanoseconde lors de la caractérisation et des tests de production.

Chez APTPCB, notre fabrication de PCB met en œuvre des tracés à très faible inductance supportant les vitesses de commutation SiC.

Exigences Clés pour la Commutation Rapide

Tracé à Ultra-Faible Inductance

Inductance de boucle de commande de grille <5nH minimisant le dépassement et la surtension pendant les transitions avec une précision d'assemblage de qualité dispositifs médicaux
Inductance de boucle de puissance <10nH réduisant les pics de tension pendant la commutation de courant
Connexion de source Kelvin séparant le courant de commande de grille du courant de source principal, éliminant l'inductance partagée
Tracés larges et courts dans le circuit de grille minimisant l'impédance résistive et inductive
PCB multicouche avec plans de puissance fournissant des chemins de retour de courant à faible inductance
Optimisation du placement des composants, maintenant le CI de commande de grille à moins de 5-10 mm du MOSFET SiC

Courant de Crête de Grille Élevé

CI de commande de grille fournissant/absorbant un courant de crête de 5-10A pour charger rapidement Qg (typiquement 100-300nC)
Driver à faible impédance de sortie maintenant la tension lors de la livraison de courant de pointe
Découplage adéquat de l'alimentation de grille fournissant une charge instantanée sans chute de tension
Poids et largeur du cuivre du PCB gérant de brèves impulsions de courant élevé sans chute de tension
Gestion thermique des drivers de grille et des résistances dissipant la puissance à des fréquences de commutation élevées
Sélection de l'IC de driver équilibrant la capacité de courant par rapport au délai de propagation et à la consommation d'énergie

Gestion des EMI

Vitesse de commutation contrôlée équilibrant les pertes par rapport à la génération d'EMI en utilisant l'optimisation de la résistance de grille
Filtrage par self de mode commun réduisant les EMI conduites sur les alimentations des drivers de grille
Blindage et mise à la terre empêchant les émissions rayonnées des chemins à di/dt et dv/dt élevés
Modulation à étalement de spectre randomisant la fréquence de commutation réduisant les amplitudes d'EMI de pointe
Construction de PCB multicouche fournissant des couches de mise à la terre et de blindage
Tests EMI de pré-conformité pendant le développement identifiant les problèmes avant la certification formelle

Implémentation d'une tension de grille négative

Les MOSFETs SiC bénéficient d'une tension de grille négative (-2 à -5V) à l'état bloqué, offrant une immunité supérieure à l'allumage parasite dû à un dv/dt élevé (>50V/ns) courant dans les applications SiC. Une tension négative accélère également l'extinction, réduit les pertes de commutation et offre une robustesse contre l'effet Miller. Cependant, l'implémentation d'une alimentation négative ajoute de la complexité, nécessitant des alimentations doubles, un séquençage approprié et une protection contre une tension négative excessive endommageant l'oxyde de grille.

APTPCB met en œuvre des alimentations robustes à tension de grille négative supportant le fonctionnement des SiC.

Implémentation clé de la tension négative

Génération de l'alimentation négative

Circuits de pompe de charge générant -2 à -5V à partir d'une alimentation positive avec les exigences de fiabilité des centres de données de serveurs
Convertisseurs DC-DC isolés fournissant des alimentations doubles de ±15V pour alimenter les pilotes de grille
Méthodes de bootstrap dans les applications sensibles aux coûts combinant les rails positif et négatif
Séquençage de l'alimentation assurant des séquences de mise sous tension et hors tension appropriées
Régulation de tension maintenant la précision de la tension négative malgré les variations de charge
Protection contre les surtensions empêchant une tension négative excessive d'endommager les grilles SiC

Optimisation de la tension de commande de grille

Sélection de la tension positive (+15 à +20V) équilibrant la vitesse d'allumage et la contrainte de l'oxyde de grille
Sélection de la tension négative (-2 à -5V) optimisant les performances d'extinction et l'immunité dv/dt
Contrôle actif de la commande de grille ajustant dynamiquement les tensions en fonction des conditions de fonctionnement
Compensation de température maintenant les performances sur une plage ambiante de -40 à +150°C
Architecture d'alimentation divisée permettant un réglage indépendant des tensions positive et négative
Tests complets validant les performances de la commande de grille sur toute l'enveloppe de fonctionnement

Gestion du fonctionnement à haute température

Les dispositifs SiC fonctionnent à des températures de jonction de 175-200°C, ce qui nécessite des circuits de commande de grille capables de supporter des températures ambiantes élevées tout en maintenant leurs performances et leur fiabilité. Le fonctionnement à haute température sollicite les composants passifs, les joints de soudure, les matériaux de PCB et les dispositifs semi-conducteurs, ce qui exige une sélection rigoureuse des matériaux, une gestion thermique et des tests de qualification validés pour garantir une durée de vie opérationnelle de 10 à 15 ans malgré une exposition continue à des températures élevées.

APTPCB met en œuvre des assemblages de pilotes de grille capables de fonctionner à haute température.

Exigences clés de conception pour les hautes températures

Sélection des composants

CI à haute température (jonction 125-150°C) survivant à des températures ambiantes élevées
Condensateurs céramiques conservant leurs caractéristiques sur toute la plage de température (diélectriques X7R, X5R)
Résistances à film avec une résistance stable et un faible coefficient de température sur toute la plage de fonctionnement
Soudure haute température (SAC305 ou alternatives haute température) maintenant l'intégrité des joints
CI de pilote de grille conçus pour les plages de température automobile ou industrielle
Qualification de niveau équipement de sécurité garantissant une fiabilité à long terme

Gestion thermique

Dissipation de la chaleur via des PCB à noyau de cuivre épais ou d'aluminium
Vias thermiques transférant la chaleur des composants vers les dissipateurs thermiques
Espacement adéquat empêchant le couplage thermique entre les dispositifs générateurs de chaleur
Simulation thermique prédisant les températures et validant les conceptions avant le prototypage
Refroidissement actif si nécessaire, utilisant l'air forcé ou le refroidissement liquide
Capteurs de température permettant la surveillance et la protection thermiques

PCB de pilote de grille MOSFET SiC

Fournir des fonctionnalités de protection avancées

Les MOSFET SiC nécessitent une protection améliorée par rapport aux IGBT au silicium en raison de la taille plus petite des puces, d'une commutation plus rapide et de températures de fonctionnement plus élevées. Les circuits de protection doivent détecter les défauts en quelques nanosecondes, fournir un arrêt coordonné empêchant les défaillances secondaires et permettre des diagnostics pour le dépannage sur le terrain. Les implémentations de protection avancées combinent des circuits matériels pour une réponse immédiate avec une surveillance logicielle permettant une maintenance prédictive et une optimisation.

APTPCB met en œuvre des circuits de protection SiC complets.

Exigences clés en matière de protection

Protection contre les surintensités et les courts-circuits

Surveillance de la tension drain-source détectant la désaturation indiquant une surintensité
Détection di/dt détectant un taux d'augmentation de courant excessif indiquant un court-circuit
Réponse rapide (<100ns) initiant un arrêt progressif avant les dommages thermiques
Limitation de courant réduisant la tension de grille pendant la surintensité, maintenant une conduction partielle
Rapports de défauts communiquant les événements de protection au contrôleur système
Multiples couches de protection offrant une redondance assurant un fonctionnement sûr

Protection contre les surtensions et les sous-tensions

Surveillance de la tension de drain empêchant le fonctionnement au-delà de la tension nominale
Surveillance de l'alimentation de grille assurant une tension adéquate pour une commutation correcte
Suppression des transitoires limitant les pics de tension dus à l'inductance parasite
Protection contre les avalanches empêchant une dissipation d'énergie excessive pendant les pics de tension
Protection coordonnée entre plusieurs dispositifs en fonctionnement parallèle ou série
Capacités de diagnostic identifiant les modes de défaillance pour faciliter le dépannage

Optimisation pour les applications de véhicules électriques et de recharge rapide

Les véhicules électriques représentent le principal marché d'adoption du SiC, nécessitant des pilotes de grille optimisés pour l'environnement automobile, les normes de sécurité fonctionnelle, la fabrication en grand volume et les objectifs de coût. Les onduleurs de traction des véhicules électriques fonctionnent à 400-800V, 200-500kW, gérant l'accélération, le freinage régénératif et le fonctionnement continu sur autoroute. Les chargeurs rapides DC transfèrent 50-350kW, nécessitant un fonctionnement fiable dans des lieux en bord de route avec une qualité d'énergie et des conditions environnementales variables.

APTPCB soutient les fabricants de véhicules électriques avec la fabrication de pilotes de grille SiC qualifiés pour l'automobile.

Exigences clés pour les applications EV

Qualification automobile

Composants qualifiés AEC-Q100/200 résistant aux températures, vibrations et durée de vie automobiles
Sécurité fonctionnelle (ISO 26262 ASIL-C/D) assurant un fonctionnement sûr malgré les défaillances à point unique
Conformité CEM automobile répondant aux exigences strictes en matière d'émissions et d'immunité
Conformité aux normes de sécurité haute tension protégeant les occupants des dangers électriques
Documentation du processus d'approbation des pièces de production (PPAP) soutenant la chaîne d'approvisionnement automobile
Engagement d'approvisionnement à long terme correspondant aux cycles de vie des programmes automobiles (10-15 ans)

Optimisation des performances

Rendement élevé (>99%) maximisant l'autonomie du véhicule et réduisant les besoins en refroidissement
Conception compacte s'intégrant dans l'encombrement limité des groupes motopropulseurs de véhicules
Optimisation du bruit acoustique minimisant les fréquences de commutation audibles
Gestion thermique résistant aux températures sous le capot et aux charges thermiques transitoires
Objectifs de fiabilité correspondant aux attentes de l'automobile (durée de vie de 15-20 ans, plus de 200 000 miles)
Optimisation des coûts atteignant les objectifs de prix de l'industrie automobile grâce à la fabrication en volume

Grâce à des processus qualifiés pour l'automobile, des capacités de fabrication à grand volume et un support technique complet, APTPCB permet aux fabricants de véhicules électriques de déployer des groupes motopropulseurs de nouvelle génération basés sur le SiC, offrant une efficacité, des performances et un encombrement supérieurs par rapport aux alternatives au silicium.