SergeyBaranchikov

Паразитные эффекты топологии в силовой электронике: как криптонит для супермена

Blog Post created by SergeyBaranchikov Employee on Sep 26, 2016

Нейл Форсер (Neil Forcier), Keysight Technologies | Силовая электроника

Материалы с широкой запрещённой зоной (WBG), а именно карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обладают целым рядом преимуществ в силовой электронике по сравнению с традиционным кремнием (Si). Самым большим преимуществом является скорость переключения, за счёт которой повышается КПД преобразования энергии и уменьшаются размеры, тогда как другие преимущества включают улучшенные тепловые характеристики и более высокие напряжения (в случае SiC).

Но, несмотря на эти преимущества, распространение материалов WBG в силовой электронике наталкивается на некоторые барьеры, включая проблемы обеспечения долговременной надёжности и снижения стоимости. В этой статье мы обсудим ещё одну преграду на пути к применению материалов WBG в силовой электронике, которому уделено пока недостаточно внимания: паразитные эффекты. Паразитные элементы для устройства на основе WBG могут оказаться «Криптонитом для Супермена». Если устройство WBG окружено слишком большим числом паразитных элементов, его характеристики могут снизиться до уровня обычного устройства на основе кремния и даже хуже: такой сценарий может привести к нестабильности схемы и некорректной работе изделия.

 

Статьи на аналогичную тему

Надёжность в производстве полупроводниковых приборов с широкой запрещённой зоной (WBG)

Полупроводники с широкой запрещённой зоной: основы

Ситуация в производстве силовой электроники: сейчас это вопрос интеграции

 

Чтобы преодолеть этот барьер, разработчикам придётся использовать незнакомые им средства проектирования и измерительные приборы. А производители этих средств проектирования и приборов вынуждены адаптировать их (с аппаратной и программной точки зрения) к требованиям электронной промышленности.

Вряд ли я скажу что-то новое, если заявлю, что минимизация паразитных эффектов, особенно индуктивностей, положительно сказывается на общих характеристиках и стабильности устройства. А для устройств WBG это утверждение особенно актуально, и число паразитных элементов, которые надо учитывать, меняется по величине почти на порядок.

Инженеры компании EPC создали прекрасный документ, который поясняет отрицательное влияние сравнительно малых индуктивностей печатной платы на характеристики силовых преобразователей на основе GaN (Reusch, Strydom, 2013). В статье приведён пример того, как незначительное увеличение паразитной индуктивности (с 0,4 нГн до 1 нГн) на печатной плате может привести к значительному увеличению выброса при использовании устройств на основе GaN на частоте переключения 1 МГц. Статья, безусловно, поднимает важные проблемы и наглядно демонстрирует представления разработчиков силовой электроники о паразитных элементах. Это представление является низкочастотным и рассматривает паразитные элементы в составе схемы, как компоненты с сосредоточенными параметрами,  или, другими словами, демонстрирует "одномерный" подход. Но такой "одномерный" подход снижает эффективность проектирования и препятствует реализации полного потенциала технологий с широкой запрещённой зоной. И такой подход, конечно же, не является приемлемым как для производителей силовых полупроводниковых приборов, так и для разработчиков силовой электроники.

Сначала давайте попробуем понять, почему "одномерный" подход к паразитным элементам не применим к устройствам WBG. Скорость нарастания при переключении устройств на основе карбида кремния достигает 100 В/нс, а устройства GaN работают ещё быстрее. Такие скорости нарастания фронтов порождают широкий спектр гармоник, который может занимать несколько сотен МГц и даже больше. Это ставит разработчиков силовых приборов и силовой электроники перед двумя основными проблемами:

  1. При разработке приходится учитывать паразитные эффекты, особенно распределённые индуктивности, начиная с нескольких нГн. Проблема здесь в том, что не всегда удаётся предвидеть место, где возникнут такие паразитные элементы, особенно если ранее вы не обращали на них внимания.
  2. Как только длина волны составляющих частотного спектра начинает приближаться к размерам элементов схемы, разработчик должен учитывать зависимость импеданса от частоты, т.е. рассматривать схему с «двумерной» точки зрения. Это связано с тем, что на частоте резонанса импеданс может значительно изменяться. Теперь его нельзя считать "одномерным" статическим значением.

Рисунок. 1. Измеренная зависимость импеданса от частоты для модуля на основе SiC. (Lemmon, Graves, 2015a).

 

Чтобы рассмотреть конструкцию с «двумерной» точки зрения, разработчики должны позаимствовать инструменты у радиоинженеров (Lemmon, Graves, 2015a). Эти инструменты включают анализаторы импеданса и электрических цепей, а также программные средства моделирования, которые позволяют анализировать устройство, как цепь с распределёнными параметрами в чатотной области.

Ценность таких инструментов несомненна, как для производителей силовых компонентов и модулей, так и для разработчиков силовой электроники. Если начать с производителей, то речь идёт о достижении максимальной производительности конечного продукта и завоевании рынка. Производители вкладывают большие средства в исследования технологии WBG и не хотят, чтобы паразитные элементы корпусов или модулей сдерживали инновации и ухудшали характеристики изделий. Старые корпуса и модули, используемые для кремниевых приборов, имеют такой уровень паразитных составляющих, который делает их малопригодными для устройств WBG.

На рисунке 1 показан пример измерения импеданса модуля SiC (Lemmon, Graves, 2015a). График сравнивает смоделированные данные частотной области с результатами реального измерения, выполненного анализатором цепей с функцией анализа импеданса. Подробности измерения не столь важны. Важно то, что при достижении резонансной частоты наблюдается существенный изменение модуля и фазы импеданса. Понимание таких деталей необходимо для разработчика, планирующего использовать крутые фронты, которые могут возбудить такой резонанс (а также другие резонансы в схеме устройства). Если бы это измерение выполнялось с помощью измерителя RLC, то мы получили бы всего лишь "одномерное" представление в крайней левой точке частотного спектра. Что же касается силовых устройств на основе GaN, то многие производители уже сталкивались с проблемами паразитных элементов в конструкции корпуса. Например, компания GaN Systems разработала инновационный корпус GaNPX, а компания EPC в корне решила проблему, полностью избавившись от корпуса.

Рисунок . 2. Электромагнитная модель в САПР ADS в сочетании с дискретными элементами схемы. Щёлкните на рисунке, чтобы увидеть подробности.

С точки зрения разработчика, при использовании устройств WBG в силовых преобразователях, гармоники, генерируемые устройствами WBG, взаимодействуют с непредусмотренными паразитными элементами, что может порождать проблемы, такие как сквозные токи и осцилляции. Пренебрежение «двумерным» представлением паразитных элементов при проектировании силовой электроники заканчивается обычно одним из двух следующих вариантов:

  1. Разработчик начинает ухудшать характеристики WBG устройства, пока паразитные явления не исчезнут. Это сводит на нет все преимущества устройства WBG, заставляя его работать подобно обычному кремниевому устройству.
  2. Разработчик делает разумные предположения о возможном месте расположения паразитных элементов и пытается менять топологию печатной платы, пока не устранит проблему. Такой метод проб и ошибок существенно увеличивает стоимость разработки и время продвижения на рынок.

Зачастую в реальных условиях наблюдается некоторая комбинация этих двух вариантов, и в результате проектирование отнимает больше времени, затраты на исследования увеличиваются, а параметры получаются ненамного лучше, чем при использовании кремния. Воспользовавшись средствами проектирования, поддерживающими «двумерное» представление, такого исхода можно избежать. Например, при использовании САПР ADS, позволяющего моделировать электромагнитные поля и работать в частотной области, разработчик может представить паразитные элементы своего устройства в виде представления распределённой цепи в заданном частотном диапазоне.

Так ЭМ симулятор Momentum, входящий в состав САПР Keysight Advanced Design System (ADS), берёт топологию печатной платы и, учитывая свойства материала печатной платы и корпусов, создаёт ЭМ модель паразитных элементов структуры, позволяя обойтись без изготовления опытного образца. Эта модель становится частью общей системы моделирования. Это экономит время и деньги и исключает непродуктивные итерации “проб и ошибок”. На рисунке 2 показан типичный “символ” из САПР ADS. Этот “символ” представляет собой ЭМ модель структуры печатной платы в сочетании с дискретными элементами, которые образуют полную схему для симулятора ADS Transient Convolution Simulator. Выполняя моделирование разных вариантов топологии, можно сравнить их выходные сигналы и избежать таких проблем, как перегрузка силовых устройств, осцилляции, сквозной ток и другие нежелательные динамические эффекты.

Рисунок. 3. Самодельная тестовая оснастка для анализа импеданса силового модуля SiC (снимок из статьи Lemmon, Graves, 2015b).

До сих пор я описывал проблемы проектирования устройств на основе WBG, связанные с паразитными эффектами, просто утверждая, что разработчики силовой электроники должны использовать средства «двумерного» анализа, которыми пользуются радиоинженеры. Конечно, эти проблемы имеют и другие аспекты. Некоторую ответственность за предоставление этих средств «двумерного» анализа разработчикам силовой электроники несут сами создатели таких инструментов. Сегодня эти приборы, а также соответствующие обучающие материалы нацелены на применение в ВЧ электронике. Именно производители приборов должны заговорить на языке разработчиков силовой электроники и учесть требования форм-факторов силового оборудования. Например, синяя кривая на зависимости импеданса от частоты на рисунке 1 получена с помощью измерительной схемы, показанной на рисунке 3.

Чтобы выполнить точные, воспроизводимые измерения паразитных элементов, очень важно иметь хорошую тестовую оснастку, обеспечивающую подключение прибора к исследуемому устройству. Без хорошего интерфейса между прибором и тестируемым устройством, в результатах измерения будут преобладать паразитные элементы самого интерфейса. Производители таких решений предлагают множество высококачественных соединителей и тестовой оснастки для радиочастотной промышленности, помогая выполнять точные, воспроизводимые измерения. Тестовая оснастка, показанная на рисунке 3, создана доктором Andrew Lemmon в Университете Алабамы. На создание такой тестовой оснастки для измерения импеданса силового модуля на основе SiC пришлось потратить немало человеко-часов, и это всего лишь для того, чтобы выполнить измерение. Было бы это ВЧ устройство с коаксиальными разъёмами, можно было бы легко воспользоваться серийно выпускаемой тестовой оснасткой.

С точки зрения производства существует множество препятствий на пути внедрения устройств WBG вместо кремния. К хорошо известным препятствиям относятся стоимость и надёжность. Другое, не столь важное, но влияющее и на производителей устройств WBG, и на разработчиков конечных изделий препятствие, это паразитные эффекты топологии. Для решения этой проблемы разработчикам силовых устройств нужны программные и аппаратные средства проектирования, применяемые в ВЧ электронике, которые позволяют рассмотреть паразитные элементы в «двумерном» представлении зависимости импеданса от частоты. В то же время производители этих «двумерных» средств проектирования должны сделать так, чтобы будущие версии таких инструментов заговорили на языке разработчиков силовой электроники и учитывали требования форм-факторов силового оборудования.

Литература:

1.Reusch, David., Strydom, Johan (2013). Understanding the Effect of PCB Layout on Circuit Performance in a High Frequency Gallium Nitride Based Point of Load Converter.IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=6520279

2.Lemmon, Andrew., Graves, Ryan (2015). Parasitic Extraction Procedure for Silicon Carbide Power Modules. IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7295986

3.Lemmon, Andrew., Graves, Ryan (2015). Gate Drive Development and Empirical Analysis of 10 kV SiC MOSFET Modules. IEEE Xplore. Источник: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7369321

 

Outcomes