Как считать потери и нагрев в схеме при переходе на SiC и GaN

Переход на транзисторы из карбида кремния и нитрида галлия даёт выигрыш не сам по себе, а через расчёт: потери в новой схеме нужно посчитать заново, потому что их структура меняется. У кремниевых ключей значительную долю занимают потери при переключении и потери от восстановления обратного диода, у карбида кремния они существенно ниже, зато иначе ведут себя сопротивление канала при нагреве и требования к управлению затвором. Без пересчёта потерь и теплового режима замена ключа не даёт ожидаемого результата.

Разберём, из чего складываются потери, как считается нагрев перехода, что меняется в цепи управления затвором и какие данные нужны для расчёта схемы на силовых компонентах Crystal.

Из чего складываются потери

• Потери проводимости. Для транзистора с полевым управлением считаются как произведение сопротивления открытого канала на квадрат действующего тока. Сопротивление растёт с температурой перехода, поэтому расчёт ведётся для горячего состояния, а не для значения из первой строки спецификации.
• Потери переключения. Энергия включения и выключения, умноженная на частоту. У быстрых ключей они на порядок ниже, что и позволяет поднимать частоту преобразования.
• Потери на обратном восстановлении. Возникают при выключении встроенного или внешнего диода. У карбида кремния заряд восстановления мал, у нитрида галлия структура вообще не имеет обратного восстановления — отсюда основной выигрыш в схемах с жёстким переключением.
• Потери управления затвором. Определяются зарядом затвора и частотой. При высоких частотах они перестают быть пренебрежимо малыми и учитываются в расчёте драйвера.
• Потери в моточных изделиях. Повышение частоты уменьшает габарит дросселей и трансформаторов, но увеличивает потери в магнитопроводе и в обмотках. Выигрыш на ключах может частично уйти в магнитные элементы.
• Потери холостого хода. Ток утечки и потребление цепей управления определяют коэффициент полезного действия при малой нагрузке.

Как считается нагрев перехода

• Тепловая цепь. Последовательно складываются тепловое сопротивление перехода к корпусу, слоя теплопроводящего материала и радиатора к окружающей среде.
• Температура перехода. Равна температуре окружающей среды плюс произведение суммарных потерь на суммарное тепловое сопротивление. Полученное значение сверяется с предельным для выбранного компонента.
• Итеративный расчёт. Сопротивление канала зависит от температуры, а температура — от потерь. Расчёт повторяется до сходимости: обычно двух-трёх приближений достаточно.
• Малая площадь корпуса. Кристаллы карбида кремния меньше кремниевых при том же токе, поэтому тепловое сопротивление перехода к корпусу выше, а требования к теплоотводу — строже.
• Импульсный режим. При коротких импульсах используется переходное тепловое сопротивление, иначе расчёт даёт завышенный запас.
• Проверка на предельном режиме. Расчёт выполняется для наихудшего сочетания: максимальный ток, минимальное напряжение сети, максимальная температура среды.

Что меняется при переходе на быстрые ключи

Диапазоны в таблице приведены для сопоставления технологий. Конкретные значения берутся из спецификации выбранного компонента.

Цепь управления затвором

• Уровни напряжения. Для карбида кремния применяют повышенное отпирающее и отрицательное запирающее напряжение: это снижает сопротивление канала и исключает самопроизвольное открытие от помех.
• Допуск на напряжение затвора. У приборов на нитриде галлия окно допустимых напряжений узкое, и превышение выводит компонент из строя. Драйвер и его питание подбираются под конкретный тип.
• Резистор затвора. Определяет скорость переключения. Уменьшение резистора снижает потери, но повышает скорость нарастания напряжения и уровень помех.
• Паразитная индуктивность. Контур затвора и силовой контур делаются предельно короткими: индуктивность в единицы наногенри уже влияет на форму переключения.
• Развязка и помехоустойчивость. Драйвер верхнего плеча должен выдерживать высокую скорость изменения напряжения на общем выводе, иначе появляются ложные срабатывания.
• Мёртвое время. Пересчитывается под быстрые ключи: избыточное время увеличивает искажения, недостаточное приводит к одновременному открытию плеч.
• Защита. Быстрое обнаружение перегрузки обязательно: запас по времени до разрушения у компактного кристалла меньше, чем у кремниевого прибора.

Что учитывать в схеме и конструкции

• Помехи от высокой скорости нарастания. Через паразитные ёмкости они попадают в цепи управления и измерения, поэтому пересматриваются экранирование и фильтрация. Для подавления применяются фильтры помех и защитные компоненты.
• Требования по излучению. Схема на быстрых ключах требует более тщательной фильтрации по входу; фильтр закладывается сразу, а не после испытаний.
• Нагрузка на изоляцию. Высокая скорость изменения напряжения нагружает изоляцию обмоток двигателей и трансформаторов, что учитывается при работе с приводами.
• Датчики тока. Полоса пропускания и задержка датчика должны соответствовать частоте преобразования, иначе защита не успевает.
• Радиатор и обдув. При меньших потерях радиатор уменьшается, но требования к тепловому контакту растут из-за малой площади корпуса.
• Стоимость всей схемы. Считается не цена ключа, а сумма: ключ, драйвер, магнитные элементы, радиатор, фильтр. Выигрыш обычно проявляется на уровне схемы целиком.

Что прислать для расчёта

• Схему преобразователя и режим работы: напряжения, токи, частоту.
• Требуемый коэффициент полезного действия и допустимый габарит.
• Диапазон температуры окружающей среды и способ охлаждения.
• Тип нагрузки: двигатель, сеть, зарядное устройство, индукционный нагрев.
• Применяемые сейчас компоненты и фактические потери, если схема уже работает.
• Требования по помехоэмиссии и применяемые стандарты.
• Плановый объём выпуска.

Частые вопросы

Всегда ли переход на карбид кремния снижает потери? Нет. На низких частотах и при большом токе выигрыш может оказаться небольшим, а стоимость — заметно выше. Замена оправдана там, где велика доля потерь переключения.

Можно ли поставить новый ключ в существующую схему без изменений? Как правило, нет. Требуются другие уровни управления затвором, пересмотр мёртвого времени и мер по подавлению помех. Замена без этих изменений приводит к ложным срабатываниям или к отказу.

Что даёт повышение частоты преобразования? Уменьшение габаритов магнитных элементов и фильтров. Ограничением становятся потери в магнитопроводе, нагрев обмоток и требования по излучению.

Почему нужно отрицательное напряжение запирания? Оно исключает открытие ключа от помех при высокой скорости изменения напряжения в силовом контуре. В схемах с большой скоростью переключения это обязательное условие устойчивой работы.

Как проверить расчёт до серии? Испытанием на образце с измерением температуры корпуса в предельном режиме и осциллограммами переключения. Расчёт даёт ориентир, а фактическая температура и форма переключения подтверждают его.

Насколько велик выигрыш в габаритах? Зависит от схемы. При переходе с десятков килогерц на сотни объём моточных изделий и фильтров сокращается кратно, но точная цифра получается только расчётом всей схемы.

Что мы делаем

Подбираем силовые ключи, драйверы, диоды и фильтры под расчётный режим, считаем потери и тепловой режим с проверкой на предельном сочетании условий, предлагаем комплект компонентов Crystal для силовой части и позиции общей номенклатуры электронных компонентов для управления и измерения.

Пришлите схему, режим работы и требования по коэффициенту полезного действия на micro@tkasiatorg.ru — посчитаем потери и нагрев, предложим ключи и драйверы под режим и дадим спецификацию с ценами на плановый объём.