Производство печатных плат драйверов затворов SiC MOSFET | Управление мощностью с широкой запрещенной зоной

Драйверы затвора MOSFET на основе карбида кремния обеспечивают сверхбыстрое переключение (время нарастания/спада 10-100 нс), работу при высоких температурах (температура перехода 175-200°C) и превосходную эффективность, открывая возможности для силовых агрегатов электромобилей следующего поколения, быстрых зарядных устройств постоянного тока и компактных промышленных приводов, работающих на частотах переключения 20-100 кГц+, достигая КПД >99% и в 5-10 раз большей плотности мощности по сравнению с кремниевыми IGBT, с успешной работой в течение миллионов быстрых циклов переключения на протяжении 15-20 лет службы.

В APTPCB мы производим печатные платы драйверов затвора SiC с использованием процессов аэрокосмической и оборонной промышленности, реализуя схемы с ультранизкой индуктивностью, отрицательные напряжения затвора и расширенные функции защиты. Наши возможности поддерживают SiC MOSFET от быстрых зарядных устройств на 650 В до тяговых инверторов на 1700 В при токах от 100 А до 800 А+ с комплексной высокочастотной характеризацией.

Управление сверхбыстрым переключением

SiC MOSFET транзисторы переключаются в 5-10 раз быстрее, чем кремниевые IGBT, достигая времени нарастания 10-50 нс, что позволяет осуществлять переключение на частотах 50-100 кГц, уменьшая размер и вес магнитных компонентов. Однако сверхбыстрое переключение создает проблемы: паразитная индуктивность в субнаногенри вызывает чрезмерные колебания и выбросы напряжения; схемы управления затвором требуют пиковых токов в несколько ампер; электромагнитные помехи возрастают, требуя тщательной компоновки печатной платы и экранирования; а измерительное оборудование должно фиксировать наносекундные переходные процессы во время характеризации и производственных испытаний.

В APTPCB наше производство печатных плат реализует компоновки со сверхнизкой индуктивностью, поддерживающие скорости переключения SiC.

Ключевые требования к быстрому переключению

Компоновка со сверхнизкой индуктивностью

Индуктивность контура управления затвором <5 нГн, минимизирующая колебания и выбросы во время переходов, с точностью сборки качества медицинских устройств
Индуктивность силового контура <10 нГн, снижающая скачки напряжения во время коммутации тока
Подключение источника Кельвина, разделяющее ток управления затвором от основного тока источника, устраняя общую индуктивность
Широкие, короткие дорожки в цепи затвора, минимизирующие резистивное и индуктивное сопротивление
Многослойная печатная плата с силовыми слоями, обеспечивающая пути возврата тока с низкой индуктивностью
Оптимизация размещения компонентов, удерживающая ИС драйвера затвора в пределах 5-10 мм от SiC MOSFET

Высокий пиковый ток затвора

ИС драйверов затвора, выдающие/поглощающие пиковый ток 5-10 А для быстрой зарядки Qg (обычно 100-300 нКл)
Драйвер с низким выходным импедансом, поддерживающий напряжение при подаче пикового тока
Адекватная развязка питания затвора, обеспечивающая мгновенный заряд без просадки напряжения
Вес и ширина меди печатной платы, выдерживающие короткие импульсы высокого тока без падения напряжения
Тепловое управление драйверами затворов и резисторами, рассеивающими мощность на высоких частотах переключения
Выбор микросхемы драйвера, балансирующий токовую способность с задержкой распространения и энергопотреблением

Управление ЭМП

Контролируемая скорость переключения, балансирующая потери и генерацию ЭМП с помощью оптимизации сопротивления затвора
Фильтрация синфазным дросселем, снижающая кондуктивные ЭМП на источниках питания драйверов затворов
Экранирование и заземление, предотвращающие излучаемые помехи от путей с высоким di/dt и dv/dt
Модуляция с расширенным спектром, рандомизирующая частоту переключения, снижающая пиковые амплитуды ЭМП
Многослойная конструкция печатной платы, обеспечивающая слои заземления и экранирования
Предварительное тестирование на ЭМС в процессе разработки, выявляющее проблемы до официальной сертификации

Реализация отрицательного напряжения затвора

SiC MOSFET транзисторы выигрывают от отрицательного напряжения затвора (от -2 до -5В) в выключенном состоянии, обеспечивая превосходный иммунитет к паразитному включению от высокого dv/dt (>50В/нс), характерного для SiC-приложений. Отрицательное напряжение также ускоряет выключение, снижает потери на переключение и обеспечивает устойчивость к эффекту Миллера. Однако реализация отрицательного источника питания добавляет сложности, требуя двойного питания, правильной последовательности включения и защиты от чрезмерного отрицательного напряжения, повреждающего оксид затвора.

APTPCB реализует надежные источники отрицательного напряжения затвора, поддерживающие работу SiC.

Ключевые аспекты реализации отрицательного напряжения

Генерация отрицательного напряжения питания

Схемы зарядных насосов, генерирующие от -2 до -5В от положительного источника питания с требованиями к надежности серверных центров обработки данных
Изолированные DC-DC преобразователи, обеспечивающие двойное питание ±15В для драйверов затвора
Методы бутстрапа в экономичных приложениях, объединяющие положительные и отрицательные шины
Последовательность подачи питания, обеспечивающая правильные последовательности включения и выключения
Регулирование напряжения, поддерживающее точность отрицательного напряжения при изменениях нагрузки
Защита от перенапряжения, предотвращающая повреждение SiC-затворов чрезмерным отрицательным напряжением

Оптимизация напряжения управления затвором

Выбор положительного напряжения (от +15 до +20В), балансирующий скорость включения и нагрузку на оксид затвора
Выбор отрицательного напряжения (от -2 до -5В), оптимизирующий производительность выключения и иммунитет к dv/dt
Активное управление затвором, динамически регулирующее напряжения в зависимости от условий эксплуатации
Температурная компенсация, поддерживающая производительность в диапазоне температур окружающей среды от -40 до +150°C
Архитектура раздельного питания, обеспечивающая независимую регулировку положительного и отрицательного напряжений
Комплексное тестирование, подтверждающее производительность драйвера затвора во всем рабочем диапазоне

Управление высокотемпературным режимом работы

Устройства SiC работают при температурах перехода 175-200°C, что требует схем управления затвором, способных выдерживать повышенные температуры окружающей среды, сохраняя при этом производительность и надежность. Работа при высоких температурах нагружает пассивные компоненты, паяные соединения, материалы печатных плат и полупроводниковые приборы, что требует тщательного выбора материалов, теплового менеджмента и проверенных квалификационных испытаний, обеспечивающих срок службы 10-15 лет, несмотря на постоянное воздействие повышенных температур.

APTPCB реализует высокотемпературные сборки драйверов затвора.

Ключевые требования к конструкции для высоких температур

Выбор компонентов

Микросхемы с высоким температурным рейтингом (температура перехода 125-150°C), выдерживающие повышенную температуру окружающей среды
Керамические конденсаторы, сохраняющие характеристики в широком диапазоне температур (диэлектрики X7R, X5R)
Пленочные резисторы со стабильным сопротивлением и низким температурным коэффициентом в рабочем диапазоне
Высокотемпературный припой (SAC305 или высокотемпературные альтернативы), сохраняющий целостность соединений
Микросхемы драйверов затвора, рассчитанные на автомобильные или промышленные температурные диапазоны
Квалификация класса оборудования безопасности, обеспечивающая долгосрочную надежность

Тепловое управление

Распространение тепла через печатные платы с толстым медным или алюминиевым сердечником
Тепловые переходные отверстия, передающие тепло от компонентов к радиаторам
Адекватное расстояние, предотвращающее тепловую связь между тепловыделяющими устройствами
Тепловое моделирование, прогнозирующее температуры и подтверждающее конструкции до прототипирования
Активное охлаждение при необходимости с использованием принудительного воздушного или жидкостного охлаждения
Датчики температуры, обеспечивающие тепловой мониторинг и защиту

Плата драйвера затвора SiC MOSFET

Предоставление расширенных функций защиты

SiC MOSFET требуют улучшенной защиты по сравнению с кремниевыми IGBT из-за меньших размеров кристалла, более быстрого переключения и более высоких рабочих температур. Схемы защиты должны обнаруживать неисправности в течение наносекунд, обеспечивать скоординированное отключение, предотвращающее вторичные сбои, и обеспечивать диагностику, поддерживающую устранение неполадок на месте. Расширенные реализации защиты сочетают аппаратные схемы для немедленного реагирования с программным мониторингом, обеспечивающим предиктивное обслуживание и оптимизацию.

APTPCB реализует комплексные схемы защиты SiC.

Ключевые требования к защите

Защита от перегрузки по току и короткого замыкания

Мониторинг напряжения сток-исток, обнаруживающий десатурацию, указывающую на перегрузку по току
Измерение di/dt, обнаруживающее чрезмерную скорость нарастания тока, указывающую на короткое замыкание
Быстрый отклик (<100нс), инициирующий плавное отключение до теплового повреждения
Ограничение тока, снижающее напряжение затвора при перегрузке по току, поддерживая частичную проводимость
Отчетность о неисправностях, сообщающая о событиях защиты системному контроллеру
Несколько уровней защиты, обеспечивающих избыточность и безопасную работу

Защита от перенапряжения и пониженного напряжения

Мониторинг напряжения стока, предотвращающий работу за пределами номинального напряжения
Мониторинг питания затвора, обеспечивающий достаточное напряжение для правильного переключения
Подавление переходных процессов, ограничивающее скачки напряжения от паразитной индуктивности
Лавинная защита, предотвращающая чрезмерное рассеивание энергии во время скачков напряжения
Скоординированная защита между несколькими устройствами при параллельной или последовательной работе
Диагностические возможности, выявляющие режимы отказа для поддержки устранения неполадок

Оптимизация для электромобилей и приложений быстрой зарядки

Электромобили представляют собой основной рынок внедрения SiC, требующий драйверов затвора, оптимизированных для автомобильной среды, стандартов функциональной безопасности, крупносерийного производства и целевых показателей стоимости. Тяговые инверторы электромобилей работают при 400-800В, 200-500кВт, обеспечивая ускорение, рекуперативное торможение и непрерывное движение по шоссе. Быстрые зарядные устройства постоянного тока передают 50-350кВт, требуя надежной работы в придорожных условиях с переменным качеством электроэнергии и условиями окружающей среды.

APTPCB поддерживает производителей электромобилей производством автомобильных SiC-драйверов затвора.

Ключевые требования к приложениям для электромобилей

Автомобильная квалификация

Компоненты, квалифицированные по AEC-Q100/200, выдерживающие автомобильные температуры, вибрации и срок службы
Функциональная безопасность (ISO 26262 ASIL-C/D), обеспечивающая безопасную работу несмотря на единичные отказы
Соответствие автомобильным требованиям ЭМС, отвечающее строгим требованиям по излучению и помехоустойчивости
Соответствие стандартам безопасности высокого напряжения, защищающее пассажиров от электрических опасностей
Документация процесса одобрения производственных деталей (PPAP), поддерживающая автомобильную цепочку поставок
Долгосрочные обязательства по поставкам, соответствующие жизненным циклам автомобильных программ (10-15 лет)

Оптимизация производительности

Высокий КПД (>99%), максимизирующий запас хода автомобиля и снижающий требования к охлаждению
Компактный дизайн, помещающийся в ограниченное пространство упаковки автомобильного силового агрегата
Оптимизация акустического шума, минимизирующая слышимые частоты переключения
Тепловое управление, выдерживающее температуры под капотом и переходные тепловые нагрузки
Цели по надежности, соответствующие автомобильным ожиданиям (срок службы 15-20 лет, более 200 тыс. миль)
Оптимизация затрат, достигающая ценовых целей автомобильной промышленности за счет массового производства

Благодаря автомобильным квалифицированным процессам, возможностям крупносерийного производства и всесторонней инженерной поддержке, APTPCB позволяет производителям электромобилей внедрять силовые агрегаты следующего поколения на основе SiC, достигая превосходной эффективности, производительности и компактности по сравнению с кремниевыми альтернативами.