Siliziumkarbid-MOSFETs
Die neue Generation kann mehr
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Entwicklungsunterstützung bei SiC-MOSFETs
Vielfältige Simulationswerkzeuge
Um das Produktportfolio zu ergänzen, hat Rohm eine Reihe von Werkzeugen geschaffen, die Entwickler dabei unterstützen sollen, effiziente, robuste und kostengünstige Spannungswandler zu entwickeln. Hierzu gehören verschiedene Simulationssysteme, auf Bauteile oder Anwendungen fokussierte Evaluationskits und technische Informationen.
Simulationen sind wie in anderen Bereichen auch bei der Entwicklung leistungselektronischer Systeme vorteilhaft. Rohm bietet verschiedene Simulationswerkzeuge, die sich für unterschiedliche Phasen in der Entwicklung eignen (Bild 3).
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Um Schaltverläufe zu untersuchen oder den Effekt parasitärer Elemente im Umfeld der Leistungshalbleiter zu betrachten, eignen sich SPICE-Modelle. Diese sind sowohl für Leistungshalbleiter als auch für IC-Produkte verfügbar, was die Simulation der Interaktion von Komponenten wie Gate-Treibern und Leistungshalbleitern ermöglicht. Zusätzlich lassen sich einfache Schaltungsbeispiele auf Basis von von der herunterladen. Auch ein erweitertes Portfolio von -Modellen steht bereit.
Außerdem gibt es den Rohm Solution Simulator [1], eine Simulationsumgebung, die auf der Webseite genutzt werden kann. Diese Software kann leistungselektronische Schaltungen mit Produkten des Unternehmens simulieren, wobei der Kunde nur einige wenige Betriebsparameter festlegen muss. Zur Verfügung stehen Simulationsschaltungen, die Leistungshalbleiter wie SiC-MOSFETs, Stromversorgungs-ICs oder Schaltregler enthalten.
Auch die Referenzdesigns und Leistungsstufen von Evaluationskits (EVKs), die weiter unten besprochen werden, sind im Solution Simulator nachgebildet. Dabei besteht die Leistungsstufe aus Leistungshalbleitern, Gate-Treiber-Schaltungen und Schutzbeschaltungen. Die Simulationen sind optimiert, um das Verhalten der tatsächlichen Hardware, insbesondere der Schaltverläufe der Leistungshalbleiter, möglichst genau nachzubilden. Denn das Schaltverhalten ist unter anderem von den parasitären Induktivitäten, der Beschaltung der Gate-Ansteuerung und weiteren physischen Eigenschaften des Platinendesigns abhängig. Damit die Simulation möglichst genaue Ergebnisse liefert, wurden die elektromagnetischen Felder analysiert, um die parasitären Elemente zu extrahieren und diese in der Simulation zu berücksichtigen.
Vielfältige Evaluationskits
Mit der Halbbrücken-Evaluationsplatine können Kunden die Performance der SiC-MOSFETs der vierten Generation in SMD-Gehäusen (TO-263-7L) im Zusammenspiel mit dem isolierten Gate-Treiber-IC untersuchen (Bild 4).
Bei dem isolierten Gate-Treiber-IC handelt es sich um einen einkanaligen Treiber mit einer Isolationsspannung von 3,75 kV (Effektivwert) und einer integrierten aktiven Miller-Clamp-Funktion. Auch weitere benötigte Funktionen wie eine isolierte Spannungsversorgung für die Sekundärseite der Gate-Treiber und ein Spannungsregler für die 5-V-Versorgung der Primärseiten der Gate-Treiber sind auf der Platine integriert. Mit recht wenig Aufwand lassen sich Einschaltspannungen von +15 V oder +18 V sowie Ausschaltspannungen von 0 V, –2 V oder –4 V konfigurieren.
Aufgrund der Halbbrückenstruktur lässt sich die 120 mm × 100 mm große Platine für verschiedene Anwendungen nutzen. So ist es möglich, die SiC-MOSFETs einem Doppelpulstest zu unterziehen oder auch kontinuierlich bei kleinen Leistungen arbeitende Spannungswandler mit Topologien wie Hochsetzsteller, Tiefsetzsteller oder Inverter zu realisieren. Um diese Evaluierungen bei höheren Leistungen durchzuführen, lässt sich ein Kühl- körper auf der Unterseite der Platine installieren.
Das Evaluationskit stellt eine Plattform bereit, mit der sich das Verhalten der SiC-MOSFETs der vierten Generation unter variablen Betriebsbedingungen und Ansteuerungskonfigurationen analysieren lassen. Die weiteren implementierten Schaltungsbestandteile wie die isolierte Spannungsversorgung können dem Nutzer als Startpunkt für eigene Entwicklungen dienen.
Als Beispiel für ein stärker auf die Applikation fokussiertes Werkzeug sei noch auf ein Evaluationskit verwiesen, das eine vollständige Totem-Pole-PFC-Stufe umfasst. In dieser Schaltung sind nicht nur die Leistungshalbleiter (hier SiC-MOSFETs der vierten Generation und siliziumbasierte Superjunction-MOSFETs) und deren Gate-Ansteuerung integriert, sondern auch alle zum Betrieb der Schaltung notwendigen Messschaltungen sowie die Regelung und weitere in einem typischen, auf dieser Topologie basierenden Industrienetzteil erforderlichen Bestandteile integriert.
Bild 5 zeigt das 210 mm × 90 mm × 55 mm große Evaluationskit mit einer Nennleistung von etwa 3 kW bei einer Eingangsspannung von 230 V. Mit diesem Kit lassen sich die implementierte Topologie im Detail untersuchen und applikationsspezifisches Benchmarking durchführen, um beispielsweise zu bewerten, wie die Wahl der Halbleiter den Wirkungsgrad der Schaltung beeinflusst.
Weitergehende Unterstützung
Zusätzlich zu den Evaluationskits und Simulationswerkzeugen steht eine ständig wachsende Auswahl an Applikationsschriften und weiteren Dokumentationen bereit, um Entwickler bei ihren Designaktivitäten mit Leistungshalbleitern von Rohm zu unterstützen. Viele dieser Dokumente geben Hinweise dazu, wie Messungen in Schaltungen mit sehr schnellen Bauteilen wie z.B. SiC-MOSFETs durchzuführen sind. Ein Überblick zu diesen Materialien findet sich in [2].
Schlussendlich stehen sowohl in Europa, wo das Unternehmen unter anderem ein Applikationslabor für Leistungselektronik betreibt, als auch in Japan Teams aus erfahrenen Ingenieurinnen und Ingenieuren zur Unterstützung bereit.
Referenzen
[1] Rohm Solution Simulator
[2] SiC Support Page
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