Инверторы ESU на основе SiC и GaN: выбор высоковольтных конденсаторов

Инверторы ESU на основе SiC и GaN: выбор высоковольтных конденсаторов

Резюме

Устройства на основе SiC и GaN позволяют электрохирургическому аппарату переключаться с частотой 800 кГц на 3 МГц с меньшими потерями и меньшими магнитными свойствами. Эти же устройства повышают скорость нарастания импульса до 44 кВ/мкс и выше, а диэлектрические потери растут пропорционально квадрату частоты, поэтому высоковольтные компоненты пропускают больший ток и выделяют больше тепла. Измерения на прототипе мощностью 300 Вт показали, что температура демпфирующего элемента повысилась на 58 °C по сравнению с 12 °C в версии на IGBT. В статье представлена ​​модель напряжений, пять ловушек и шесть этапов отбора.

1. Введение

Широкозонные переключатели (WBG), в основном на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), нашли применение в разработке силовых устройств для медицинского оборудования. SiC MOSFET-транзисторы достаточно зрелы для инверторов в аппаратах электрохирургической ассистенции больничного класса, а GaN HEMT-транзисторы появляются в ручных хирургических инструментах. Оба типа переключаются быстрее, сильнее нагреваются и позволяют уменьшить габариты трансформатора.

Усиление достигается за счет пассивных компонентов. Диэлектрические потери возрастают пропорционально квадрату частоты, поэтому в схеме на 800 кГц диэлектрические потери в четыре раза выше, чем в схеме на 400 кГц. Частота фронтов сигнала также увеличивается, и каждый фронт проталкивает ток смещения через каждую паразитную емкость в петле.

Измерения, проведенные на прототипе энергосберегающего генератора мощностью 300 Вт со сменными модулями переключения, показали, что переход от кремниевого IGBT к кремниевому MOSFET-транзистору повысил КПД с 89.5 % до 94.8 % и увеличил температуру демпфирующего элемента с 12 °C до 58 °C. КПД имеет первостепенное значение, а температурный показатель определяет срок службы элемента.

В этой статье рассматриваются модели потерь и текущих параметров, ловушки, возникающие при работе на стенде, и этапы выбора, позволяющие удерживать детали в пределах допустимых значений.

2. Основной механизм

2.1 Сравнение типов устройств

Параметр	Си МОП-транзистор	SiC МОП-транзистор	GaN HEMT
Типичная частота переключения	От 50 кГц до 200 кГц	От 200 кГц до 2 МГц	От 500 кГц до 10 МГц
Скорость передачи данных	от 10 кВ/мкс до 30 кВ/мкс	от 50 кВ/мкс до 100 кВ/мкс	от 80 кВ/мкс до 200 кВ/мкс
Ограничение перекрестка	175 ° C	200 ° C	150 ° C
Поле расщепления	0.3 МВ/см	2.8 МВ/см	3.0 МВ/см

Выбор микросхемы определяется двумя параметрами: частотой срабатывания и частотой переключения. В SiC частота срабатывания составляет 50 кВ/мкс при частоте 200 кГц – 2 МГц, а в GaN – 150 кВ/мкс при частоте 500 кГц – 10 МГц. Микросхема, рассчитанная на частоту 400 кГц, не соответствует ни одному из этих условий без снижения номинальной мощности.

2.2 Потери растут пропорционально квадрату частоты

Потери в сердечнике делятся на два составляющие: потери в сердечнике, которые зависят от низкой мощности частоты, и диэлектрические потери, которые зависят от квадрата частоты.

P_loss = k_1 · f^α + k_2 · f² · C · tanδ

где P_loss — частичная потеря в мВт, k_1 — коэффициент потерь в сердечнике, f — частота в МГц, α — показатель степени потерь в сердечнике, C — емкость в пФ, а tanδ — тангенс угла потерь.

Эффект демонстрирует микросхема N4700 с конденсатором 470 пФ, установленная в бачке ESU. На частоте 400 кГц общие потери составляют 50 мВт, на 800 кГц — 168 мВт, а на 1.6 МГц — 612 мВт. Повышение температуры корпуса происходит по той же схеме: 8 °C, 27 °C, затем 98 °C. Последнее значение превышает номинальную температуру стандартной микросхемы, рассчитанной на 125 °C.

2.3 Скорость фронта определяет пиковый ток

Каждый быстрый фронт импульса вызывает ток смещения через паразитную емкость вокруг коммутационного узла.

I_dis = C_stray · (dV/dt)

где I_dis — ток смещения в точке А, C_stray — паразитная емкость в этом узле в пФ, а dV/dt — скорость изменения фронта сигнала в кВ/мкс.

На шине 800 В с паразитной емкостью 100 пФ кремниевый IGBT при напряжении 5 кВ/мкс выдает ток 0.5 А, кремниевый MOSFET при 20 кВ/мкс — 2 А, кремниевый MOSFET при 60 кВ/мкс — 6 А, а GaN HEMT при 150 кВ/мкс — 15 А. Демпфирующая часть должна поглотить весь этот ток за несколько десятков наносекунд.

2.4 Тепловой путь от кристалла к детали

Более высокая температура кристалла поднимает воздух внутри корпуса, и этот воздух задает температуру корпуса детали. Требуемое тепловое сопротивление определяется двумя температурными пределами.

θ_JA = (T_j − T_case) / P_loss

где θ_JA — тепловое сопротивление от корпуса детали к воздуху в °C/Вт, T_j — предельная температура перехода устройства в °C, T_case — предельная температура корпуса детали в °C, а P_loss — количество тепла, которое необходимо отвести, в Вт.

Устройство на основе SiC, работающее при температуре 175 °C рядом с деталью, температура которой ограничена 85 °C, оставляет зазор в 90 °C. При потерях 5 Вт для этого пути необходимо θ_JA ≤ 18 °C/Вт. В неподвижном воздухе температура открытого цилиндрического корпуса составляет около 30 °C/Вт, поэтому для такой конструкции необходим воздушный поток или корпус большего размера.

2.5 Предел саморезонанса

Выше своей резонансной частоты компонент становится индуктивным. Эта точка определяется последовательной индуктивностью корпуса и его выводов.

f_SRF = 1 / (2π · √(L_ESL · C))

где f_SRF — собственная резонансная частота в МГц, L_ESL — эквивалентная последовательная индуктивность в нГн, а C — емкость в пФ.

Микросхема с емкостью 470 пФ и индуктивностью 8 нГн резонирует на частоте 82 МГц, а с индуктивностью 30 нГн частота падает до 42 МГц. В конструкции на основе GaN, переключающейся на частоте 3 МГц, важна 5-я гармоника на частоте 15 МГц, поэтому микросхема с частотой 82 МГц обеспечивает запас прочности, а микросхема с индуктивностью 30 нГн — нет.

Рис. 1 — Потери возрастают пропорционально квадрату частоты: компонент с емкостью 470 пФ потребляет 50 мВт на частоте 400 кГц и 612 мВт на частоте 1.6 МГц при повышении температуры корпуса от 8 до 98 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Убытки экстраполируются по прямой линии.

Конструкторы берут значение потерь на частоте 400 кГц и удваивают его для частоты 800 кГц. Диэлектрическая составляющая возрастает пропорционально квадрату частоты, поэтому реальное значение ближе к 3.4 раза. Деталь, выбранная по прямолинейной оценке, нагревается на 40 К сильнее, чем ожидалось, и не проходит испытание в течение 1000 часов. Используйте измеренную кривую для детали, а не линейное правило.

Проблема 2: Демпфирующая часть не рассчитана на скачки напряжения.

На краю GaN-транзистора при напряжении 150 кВ/мкс на паразитной емкости 100 пФ пиковый ток составляет 15 А. Стандартный выводной компонент выдерживает несколько ампер повторяющихся импульсных перенапряжений, прежде чем его выводы нагреются, и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) увеличится. Важное значение номинальных параметров указано в строке параметров импульсных перенапряжений в техническом описании, а не в строке параметров напряжения.

Проблемный момент 3: Фильтрующий элемент становится индуктивным.

На частотах 3 МГц и выше индуктивность выводов 30 нГн смещает резонансную точку компонента на 470 пФ вблизи 42 МГц и делает компонент индуктивным задолго до интересующих гармоник. Фильтр перестаёт работать, и излучение возрастает именно на той частоте, которую конструкция пыталась очистить. Низкоэмиссионные корпуса и короткие петли решают эту проблему.

Проблема №4: Более высокая температура внутри корпуса сокращает срок службы компонентов.

Каждые дополнительные 10 °C нагрева корпуса сокращают срок службы диэлектрика примерно вдвое. В устройстве на основе SiC температура внутреннего воздуха повышается на 20–30 К по сравнению с устройством на основе Si, что приводит к увеличению срока службы в 4–8 раз, если не изменить сам компонент или воздушный поток. Повышенная эффективность конструкции на основе широкозонного полупроводника компенсирует дополнительную тепловую работу, поэтому оба фактора должны учитываться при проектировании.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Согласовать диэлектрик с частотным диапазоном.

Для GaN-структур с частотой выше 1 МГц используйте состав со сверхнизкими потерями и тангенсом угла потерь ниже 0.05 % на частоте 2 МГц. Для диапазона SiC от 400 кГц до 1 МГц используйте... Керамический дисковый конденсатор N4700 Значение tan δ, близкое к 0.08 %, снижает потери и удерживает повышение температуры в пределах 40 К.

Стратегия 2: Поддерживайте коэффициент запаса прочности SRF выше 10.

Установите значение SRF выше, чем в 10 раз превышающее частоту переключения основной частоты, и выше, чем в 5 раз превышающее самую высокую интересующую гармонику. Для конструкции с частотой 800 кГц, учитывающей 5-ю гармонику на частоте 4 МГц, требуется значение SRF выше 20 МГц. Каждый корпус HVC соответствует этому показателю с запасом.

Стратегия 3: Размер детали определяется скоростью вращения режущей кромки.

Начните с пикового значения тока на фронте и затем удвойте его.

I_peak = C · (dV/dt)_max

где I_peak — пиковый ток, протекающий через компонент, в А, C — емкость компонента в пФ, а (dV/dt)_max — самый быстрый фронт тока в цепи в кВ/мкс.

Микросхема с емкостью 470 пФ, подключенная к SiC-транзистору с частотой 44 кВ/мкс, пропускает пиковый ток 20.7 А. Выберите микросхему с номинальным током импульсного перенапряжения выше 41 А, что вдвое больше этого значения. Конденсатор дверной ручки HVCT8G С помощью винтового клеммника импульс передается в широкий металлический корпус, при этом индуктивность петли поддерживается ниже 8 нГн.

Стратегия 4: Разделить ток на параллельно соединенные тела.

Замените одну крупную деталь на две или три меньшие. В этом случае каждая деталь будет пропускать меньший ток и выделять меньше тепла, общая эквивалентная индуктивность снизится, и даже одна вышедшая из строя деталь позволит продолжить работу схемы. На демпфирующей цепи на частоте 800 кГц три детали по 150 пФ заменили одну деталь на 470 пФ, что снизило повышение температуры корпуса с 58 °C до 34 °C.

Стратегия 5: Добавить термодатчики и снизить номинальные характеристики.

Установите NTC-датчик рядом с деталью и настройте сигнализацию на 90 °C для детали, температура которой составляет 125 °C. Снизьте выходную мощность на 20 %, когда показания превысят порог срабатывания сигнализации. Устройство с пониженной мощностью продолжает работать; устройство, игнорирующее показания, теряет деталь в результате длительной процедуры.

Стратегия 6: Подтвердите работоспособность конструкции с помощью экрана, рассчитанного на 1000 часов работы.

Испытайте компоненты при номинальном напряжении, частоте переключения, соответствующей конструкции, при температуре 85 °C в течение 1000 часов. Регистрируйте емкость, тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ), сопротивление изоляции и температуру корпуса каждые 24 часа. Компонент, который поддерживает ΔC/C в пределах 1 % и сопротивление изоляции (IR) выше 70 ГОм в течение этого периода испытаний, надежно работает в полевых условиях.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для инверторов WBG ESU

Компания HVC производит три семейства компонентов для широкополосного диапазона, все с диэлектриком класса I, на собственном заводе площадью 6000 м² в Дунгуане. HVCHF-UЛиния ltra охватывает диапазон напряжений от 5 кВ до 20 кВ с тангенсом угла диэлектрических потерь (tan δ) ниже 0.05 % на частоте 2 МГц и частотой сверхпроводимости (SRF) выше 100 МГц. HVCHF-B В линейку входят SiC-микросхемы с частотой от 400 кГц до 1 МГц и номинальным током импульса 80 А в течение 10 мкс. HVDCT-HДиапазон рабочих температур линейки iTemp составляет от −55 °C до +175 °C для портативных и полевых устройств.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Тангенс угла диэлектрических потерь ниже 0.05 % на частоте 2 МГц. Диэлектрическая составляющая остается небольшой на частоте 3 МГц, поэтому повышение температуры корпуса детали не превышает 40 К.
• Импульсный ток достигает 80 А за 10 мкс импульса. Край GaN-транзистора, подключенный к паразитной емкости 100 пФ, выдает 15 А, что более чем в пять раз превышает запас прочности.
• ESR ниже 50 мОм на частоте 1 МГц. Компонент практически не выделяет тепла при повторяющемся демпфирующем токе 8.7 А.
• Частота СВЧ выше 100 МГц на корпусах цилиндрической формы. 5-я и 7-я гармоники конструкции с частотой 3 МГц остаются ниже резонансной точки и по-прежнему подвержены влиянию емкостной составляющей.
• Скоординированные компоненты. HVR-BSP толстопленочные резисторы, Низкоиндуктивные резисторы выборки HVRGHP и быстровосстанавливающиеся диоды использовать одни и те же данные экранирования для демпфирующего контура, датчика тока и выпрямительного каскада.
• Сравните с ведущими брендами. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам. Vishay Генераторы HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV используются в крупносерийном производстве генераторов для производителей медицинского оборудования.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4-8 недель, а подобранные комплекты демпфирующих элементов — в течение 6-10 недель, тогда как для указанных выше брендов этот срок составляет 20-30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в разработке модели потерь, расчете импульсных перенапряжений и анализе тепловой схемы.

Отправьте номер детали коммутатора, частоту нарастания фронта сигнала, напряжение шины, частоту переключения и коэффициент заполнения. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу соответствия с номерами деталей, данными о потерях и ЭПР на рабочей частоте, расчетом тепловых характеристик и комплектом для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему инвертор на основе SiC создает большую нагрузку на конденсаторы, чем инвертор на основе IGBT?

Поскольку увеличиваются как скорость нарастания фронта сигнала, так и частота. Кремниевый IGBT-транзистор включается при 5 кВ/мкс и переключается с частотой около 400 кГц. Кремниевый MOSFET-транзистор включается при 44 кВ/мкс и переключается с частотой 800 кГц. Пиковый ток демпфирующей цепи увеличивается с 1.2 А до 8.7 А, а температура компонента повышается с 12 °C до 58 °C при той же нагрузке.

Вопрос 2: Насколько увеличиваются потери при частоте 800 кГц?

Примерно в 3.4 раза больше, чем показатель на частоте 400 кГц для микросхемы N4700 с емкостью 470 пФ: 168 мВт против 50 мВт. Диэлектрическая составляющая пропорциональна квадрату частоты, поэтому оценка в 2 раза по прямой линии значительно занижена. На частоте 1.6 МГц та же микросхема достигает 612 мВт, а температура корпуса повышается примерно до 98 °C.

В3: Какой запас прочности по SRF мне следует держать?

Частота переключения должна быть более чем в 10 раз выше, а максимальная гармоника, имеющая значение, — более чем в 5 раз выше. Для схемы на частоте 800 кГц, где важна частота 4 МГц, требуется чувствительность SRF выше 20 МГц. Индуктивность выводов должна быть ниже 10 нГн, поскольку вывод с индуктивностью 30 нГн снижает частоту компонента с емкостью 470 пФ с 82 МГц до 42 МГц.

В4: Как определить размеры детали для обработки края GaN-структуры?

Чтобы получить пиковый ток, умножьте емкость на самую быструю скорость фронта импульса, а затем удвойте это значение для определения номинального тока. Компонент емкостью 470 пФ при фронте импульса 44 кВ/мкс пропускает 20.7 А, поэтому выбирайте компонент, рассчитанный на импульсный ток выше 41 А. Определяющим фактором является значение импульсного тока в техническом описании, а не значение напряжения.

Вопрос 5: Действительно ли более высокая температура в корпусе сокращает срок службы деталей?

Да. Каждые 10 °C дополнительного тепла в корпусе сокращают срок службы диэлектрика вдвое. В устройстве на основе SiC температура внутреннего воздуха может повыситься на 20–30 К, что в 4–8 раз снижает срок службы. Прежде чем мириться с такими потерями, увеличьте приток воздуха, используйте корпус большего размера или снизьте температуру окружающей среды с помощью теплоотвода.

В6: Когда следует использовать параллельные детали вместо одной большой детали?

Когда импульсный ток превышает примерно 10 А или температура корпуса повышается до 40 К, три конденсатора по 150 пФ пропускают тот же суммарный ток, распределяя его по трети мощности каждого, рассеивая тепло и снижая эффективную эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). На одном демпфирующем конденсаторе на частоте 800 кГц это изменение снизило температуру корпуса с 58 °C до 34 °C.

7. Рекомендации

1. МЭК 60384-21:2019, Стационарные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 21: Спецификация по разделам: Стационарные многослойные керамические конденсаторы поверхностного монтажа с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2019.
2. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
3. IEC 60601-1-2:2014+AMD1:2020, Медицинское электрооборудование — Часть 1-2: Электромагнитные помехи — Требования и испытанияЖенева: МЭК, 2020.
4. AEC-Q200 Версия E, Квалификационные испытания пассивных компонентов на прочность при нагрузкеСовет по автомобильной электронике, 2023.
5. MIL-STD-202, Методы испытаний электронных и электрических компонентовВашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США.
6. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
7. Х. Лю, Б.Х. Ду, М. Сяо и Т. Танака, Высокотемпературные характеристики пробоя диэлектрика в пленочном конденсаторе из БОПП на основе поверхностной модификацииIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 28, no. 4, pp. 1264-1272, 2021. https://doi.org/10.1109/tdei.2021.009585
8. Миниатюризация высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R для использования в автомобильной промышленности.Дж. Бултитуд и др., KEMET Electronics, https://www.mouser.lu/pdfdocs/KEMET-TechnicalPaperBultitude_AECAutoRel_HVMiniature150410_Final-2.pdf .
9. MIL-PRF-55681 Ред. H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Колумбус, Огайо: DLA Land and Maritime, 2025.
10. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
11. МЭК 60384-9:2024, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 9: Спецификация – Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 2, Изд. 5.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2024.
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com