وحدات هجينة من السيليكون كاربايد/السيليكون: مكثفات تخميد للإجهاد غير المتماثل

وحدات هجينة من السيليكون كاربايد/السيليكون: مكثفات تخميد للإجهاد غير المتماثل

الملخص

تستخدم وحدات التدرج الهجينة ترانزستور MOSFET من كربيد السيليكون (SiC) وترانزستور IGBT من السيليكون (Si) على ناقل تيار مستمر واحد. تتميز رقاقة كربيد السيليكون بسرعة تبديل أعلى بخمس مرات تقريبًا، مما يجعل مكثف التخميد المجاور لها يمتص تيارًا وجهدًا وحرارة أكبر في كل دورة. تشير بيانات ميدانية من 123 وحدة HVC إلى أن معدل فشل جانب كربيد السيليكون يبلغ 4.2 ضعف معدل فشل جانب السيليكون. تقدم هذه المقالة نموذج الإجهاد، وأربعة مصائد للتصميم والتوقيت، وست خطوات لتحقيق التوازن بين الجانبين.

1. مقدمة

غالبًا ما يجمع مصنّعو مضخمات التدرج بين ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) وترانزستورات IGBT المصنوعة من السيليكون (Si) داخل وحدة طاقة واحدة. تعمل رقاقة كربيد السيليكون على تقليل فقد الطاقة أثناء التبديل، مما يسمح بتدرجات أسرع. بينما تحافظ رقاقة السيليكون على انخفاض تكلفة الوحدة. تشترك الرقاقتان في ناقل تيار مستمر واحد، ومشتت حراري واحد، وشبكة تخميد واحدة.

لا تتبدل الرقاقتان بنفس السرعة. يصل جهد تشغيل كربيد السيليكون إلى 50 كيلوفولت/ميكروثانية، وجهد إيقافه إلى 100 كيلوفولت/ميكروثانية. أما ترانزستور ثنائي القطب المعزول من السيليكون، فيتراوح جهد تشغيله بين 10 كيلوفولت/ميكروثانية و30 كيلوفولت/ميكروثانية. في كل دورة، يؤدي هذا التباين إلى تحميل مكثف جانب كربيد السيليكون بتيار وجهد أعلى.

تُظهر بيانات ميدانية من 123 وحدة تبريد هجينة متدرجة التكلفة. يتعطل مُخمد الصدمات في جانب كربيد السيليكون بنسبة 0.8% سنويًا، أي 4.2 أضعاف معدل تعطل جانب السيليكون البالغ 0.19% سنويًا. بعد 18 شهرًا، احترقت ثلاث وحدات، جميعها في جانب كربيد السيليكون.

تقدم هذه المقالة نموذج الإجهاد، ومصائد التخطيط والتوقيت التي توسع الفجوة، وخطوات الاختيار التي تعيد الجانبين إلى التوازن.

2. الآلية الأساسية

2.1 عدم تطابق التشغيل ومشاركة التيار

يُحدد فرق زمن التشغيل Δt_on مقدار التيار الذي تستهلكه كل شريحة. تصل الشريحة الأسرع إلى حالة التوصيل أولاً وتتحمل الحمل بمفردها خلال تلك الفترة.

Δi_share = V_bus · Δt_on / L_loop

حيث Δi_share هي الخطوة الحالية التي تقوم بها الشريحة السريعة وحدها، وV_bus هو جهد ناقل التيار المستمر، وΔt_on هو فرق وقت التشغيل بين الشريحتين، وL_loop هو محاثة حلقة التبديل.

عندما يكون جهد ناقل البيانات (V_bus) يساوي 800 فولت، وسعة حلقة الحث (L_loop) تساوي 30 نانوهنري، فإنّ قيمة التيار المتغير تبلغ حوالي 1.47 كيلو أمبير. يتم تشغيل رقاقة كربيد السيليكون (SiC) خلال 25 نانوثانية، بينما يتم تشغيل رقاقة السيليكون (Si) خلال 80 نانوثانية، وبالتالي تصل نسبة المشاركة إلى 3.2. يحمل مكثف جانب كربيد السيليكون تيار تموج أكبر بنسبة 70% تقريبًا، وترتفع درجة حرارته بمقدار 30 كلفن تقريبًا نتيجةً لفقدان المقاومة المكافئة التسلسلية (ESR).

2.2 إيقاف تشغيل الحماية من الجهد الزائد على كل جانب

تحدد سرعة الإيقاف مقدار الجهد الزائد الذي يجب أن يمتصه المخمد. يؤدي الإيقاف الأسرع إلى زيادة معدل تغير التيار (dI/dt) عبر محاثة الحلقة.

ΔV_off = L_loop · dI/dt

حيث ΔV_off هو الجهد الزائد عند الإيقاف، و L_loop هو محاثة الحلقة، و dI/dt هو ميل التيار عند حافة التبديل.

يصل تيار إيقاف تشغيل كربيد السيليكون (SiC) إلى 10 كيلو أمبير/ميكروثانية مقابل 3 كيلو أمبير/ميكروثانية لترانزستور IGBT المصنوع من السيليكون. في حلقة 30 نانوهنري، يتعرض جانب كربيد السيليكون لجهد حوالي 300 فولت، بينما يتعرض جانب السيليكون لجهد 90 فولت فقط، بنسبة 3.3. يمتص مكثف قرصي خزفي سعته 4.7 نانوفاراد وجهده 30 كيلو فولت هذا الجهد المفاجئ البالغ 300 فولت، تاركًا جهدًا متبقيًا يقارب 20 فولت، وهو جهد يقع ضمن هامش العزل الكهربائي.

2.3 يؤدي الاقتران الحراري إلى رفع معدل التفريغ الجزئي

تؤدي الفجوة البالغة 30 كلفن بين الجانبين إلى تباعد التفريغ الجزئي. ويتبع معدل التفريغ الجزئي قانونًا أُسّيًا مع تغير درجة الحرارة.

f_PD ∝ exp(−Ea / kT)

حيث f_PD هو معدل نشاط التفريغ الجزئي، و Ea هي طاقة تنشيط العازل، و k هو ثابت بولتزمان، و T هي درجة الحرارة المطلقة.

يمتلك N4700 طاقة تنشيط تقارب 1.5 إلكترون فولت، لذا فإن ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 30 كلفن يزيد معدل التفريغ الجزئي بمقدار 5 أضعاف تقريبًا. ونتيجة لذلك، يتقادم المكثف ذو جانب كربيد السيليكون بشكل أسرع، ويمتد نطاق توزيع التفريغ الجزئي فيه لفترة أطول من نظيره ذي جانب السيليكون. ويتم استبعاد الوحدات ذات معدل التفريغ الجزئي المرتفع من خلال طبقة حماية سعتها 5 بيكو كولوم عند جهد يعادل 1.5 ضعف الجهد المقنن قبل شحنها.

2.4 معامل عدم التوازن الحالي

يتتبع رقم واحد صحة الزوجين.

K_imb = i_share_SiC / i_share_Si

حيث K_imb هو معامل عدم توازن التيار، و i_share_SiC هو تيار الذروة في دائرة التخميد من جانب SiC، و i_share_Si هو تيار الذروة في دائرة التخميد من جانب Si.

تحتوي الوحدة المتطابقة على قيمة K_imb بين 1.05 و 1.15. أما الوحدات الهجينة التي تم قياسها بواسطة HVC فتقع بالقرب من 3.2، ويؤدي اختلاف المسار بمقدار 10 مم إلى دفع القيمة فوق 5.0.

الشكل 1 - وحدة هجينة واحدة تحمل مخمد جانب SiC بجهد زائد قدره 300 فولت وتيار تموج 3.2 مرة، وجانب Si بجهد 90 فولت.

3. نقاط الضعف الهندسية

المشكلة الأولى: رقم قطعة واحد لكلا الجانبين

تستخدم العديد من التصاميم نفس المكثف على كلا الجانبين، مما يؤدي إلى زيادة حجم مكثف جانب السيليكون وتقليل حجم مكثف جانب كربيد السيليكون. على سبيل المثال، استخدمت وحدة تدرج حراري بقدرة 3 تسلا مكثف X7R بسعة 4.7 نانوفاراد/10 كيلوفولت على جانب كربيد السيليكون، وتعطلت بعد 14 شهرًا، مما أدى إلى احتراق وحدتين. يحتاج جانب كربيد السيليكون إلى مكثف ذي سعة أعلى، مثل 4.7 نانوفاراد/30 كيلوفولت.

نقطة الضعف الثانية: التصميم غير المتماثل

يُحدد طول المسار حث الحلقة، ويُحدد حث الحلقة نسبة المشاركة. عندما يتجاوز الفرق بين الجانبين 10 مم، ترتفع قيمة K_imb من 3.2 إلى 5.0. وقد سُجلت قيمة 5.5 في وحدة 5 تسلا مع ارتفاع في درجة الحرارة يتجاوز 110 درجة مئوية. أدى فرق 15 مم إلى ارتفاع درجة حرارة النحاس على جانب كربيد السيليكون بمقدار 42 كلفن مقارنةً بجانب السيليكون.

المشكلة الثالثة: انحراف توقيت البوابة

يحتاج كربيد السيليكون (SiC) إلى ثابت زمني قصير لمرحلة ميلر، حوالي 10 نانوثانية مقابل 50 نانوثانية لترانزستور IGBT المصنوع من السيليكون. لا يمكن لمحرك بوابة مشترك واحد أن يخدم كليهما. في وحدة 7T ذات انحراف 35 نانوثانية، ارتفع الجهد الزائد على جانب كربيد السيليكون من 300 فولت إلى 450 فولت، وهو ما يقارب الحد الأقصى للجهاز.

المشكلة الرابعة: استشعار درجة الحرارة من جانب واحد فقط

تقوم بعض الوحدات بقياس درجة حرارة وصلة جانب السيليكون وتتجاهل جانب كربيد السيليكون. في نظام مستشفى بقدرة 3 تسلا، كانت درجة حرارة وصلة كربيد السيليكون عند 135 درجة مئوية، مما أدى إلى فقدان أربع وحدات خلال عامين. يحتاج كل جانب إلى مستشعر خاص به وعتبة فصل خاصة به.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية 1: تركيب مكثف مختلف على كل جانب

استخدم مكثفًا بجهد 4.7 نانو فاراد/30 كيلو فولت مكثف قرص سيراميكي N4700 على جانب كربيد السيليكون، حيث يكون جهد الذروة مرتفعًا. استخدم مكثفًا بسعة 2.2 نانوفاراد/20 كيلوفولت على جانب السيليكون. يحافظ العازل من الفئة الأولى على نسبة التلف أقل من 0.1% ويقلل من تسخين المقاومة المكافئة التسلسلية عند تيار التموج العالي.

الاستراتيجية الثانية: الحفاظ على تناظر الأثر داخل 2 مم

ارسم مسار توصيل نجمي بحيث يكون كلا مكثفي التخميد على نفس المسافة الكهربائية من وصلة التيار المستمر. حافظ على فرق طول المسار في حدود 2 مم. في عملية تحديث بقدرة 5 تسلا، أدت هذه الخطوة وحدها إلى خفض قيمة K_imb من 5.0 إلى 2.8.

الاستراتيجية الثالثة: مطابقة التوقيت مع مقاومات البوابة غير الحثية

استخدم مقاومة تتراوح بين 5 و10 أوم على بوابة كربيد السيليكون، ومقاومة تتراوح بين 15 و20 أوم على بوابة السيليكون. تؤدي قيمة المقاومة الأكبر في السيليكون إلى إبطاء ترانزستور IGBT وتقريب حافتي الإشارة. يمكن استخدام مقاومة ذات طبقة سميكة ومنخفضة الحث مثل... HVRGHP يحافظ على ESL أقل من 50 نانو هنري، ويبقي الانحراف في حدود 5 نانو ثانية، ويقلل الجهد الزائد على جانب SiC من 450 فولت إلى 280 فولت على وحدة 7 T.

الاستراتيجية الرابعة: كبح الاستعادة العكسية في مسار العجلة الحرة

تناسب ثنائيات الاسترداد السريع مع زمن استعادة عكسي (trr) أقل من 50 نانوثانية في حلقة التحرر. عامل S أعلى من 2 يحافظ على سلاسة الاستعادة. هذه الخطوة تقلل ذروة الاستعادة العكسية على جانب كربيد السيليكون بنحو 60%.

الاستراتيجية الخامسة: استشعار كل جانب وإعاقته على حدة

ضع مستشعر NTC على كلا الرقاقتين وقم بأخذ العينات بسرعة تزيد عن 500 مللي ثانية. اضبط درجة حرارة فصل SiC عند 115 درجة مئوية ودرجة حرارة فصل Si عند 125 درجة مئوية. تمنع الحماية المستقلة حدوث خلل في جانب واحد من التسبب في تعطل الوحدة بأكملها.

الاستراتيجية السادسة: فحص التفريغ الجزئي والتحقق منه في المحاكاة

اشترِ مع مراعاة حدّ التفريغ الجزئي البالغ 5 بيكو كولوم عند 1.5 ضعف الجهد المقنن. اطلب محاكاة إجهاد للوحدة الهجينة. تقوم شركة HVC بإنشاء نموذج ثنائي الرقاقات في برنامج LTspice، وتُبلغ عن توزيع الجهد والتيار على كل جانب قبل تثبيت التصميم.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	-
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC لوحدات التدرج الهجينة

لا يتحقق توازن الوحدة الهجينة إلا عندما يحصل كل جانب على جزء يتناسب مع إجهاده الخاص. تقوم شركة HVC بتصنيع كلا الجزأين من مادة عازلة N4700، ضمن نطاق جهد يتراوح من 1 كيلوفولت إلى 150 كيلوفولت، في مصنع مملوك لها في دونغقوان تبلغ مساحته 6,000 متر مربع.

ستة معايير مهمة هنا

• نسبة التفاضل أقل من 0.1%. يبقى معامل الفقد أقل من 0.1% عند التردد العالي والجهد العالي، لذلك يبقى تسخين المقاومة المكافئة للطبقة منخفضًا عند 3.2 ضعف تيار التموج.
• تصنيف الجهد يصل إلى 30 كيلو فولت. يمتص جانب SiC خطوة إيقاف التشغيل 300 فولت وعطل عابر 450 فولت دون الدخول في حد العزل الكهربائي.
• ESL أقل من 10 نانو هنري. يحافظ انخفاض حث الرصاص على منع حلقة التخميد من الرنين، لذلك يبقى جهد التثبيت قريبًا من 20 فولت من الجهد المتبقي.
• انخفاض التفريغ الجزئي إلى أقل من 5 بيكو كولوم عند جهد يتراوح بين 1.5 و 2 ضعف الجهد المقنن. تعمل الشاشة المحكمة على تقصير ذيل التفريغ الجزئي على جانب كربيد السيليكون وإبطاء تدهور العازل.
• مكونات منسقة. مكثفات HVCT8G ذات أطراف لولبية, HVR-BSP المقاومات ذات الأغشية السميكةيمكن طلب مقاومات بوابة HVRGHP وثنائيات HVD كمجموعة واحدة لدائرة التخميد، ودائرة تشغيل البوابة، ودائرة العجلة الحرة.
• يُرجى الرجوع إلى العلامات التجارية الرائدة. تتوافق قطع غيار HVC مع المعايير الكهربائية ومؤشرات الموثوقية الخاصة بـ VISHAY 715C/660R، وMurata DHR/DHS، وAVX HP/HK، وتعمل في إنتاج وحدات التدرج بكميات كبيرة لمصنعي المعدات الأصلية للتصوير الطبي.

التوصيل والدعم

تُشحن القطع القياسية خلال 4 إلى 8 أسابيع، والمجموعات المتطابقة خلال 6 إلى 10 أسابيع، مقارنةً بمتوسط ​​20 إلى 30 أسبوعًا للعلامات التجارية المذكورة أعلاه. مدة التوصيل للزوج المختلف قصيرة لأن كلا القيمتين تأتيان من معجون واحد وخط إنتاج واحد.

أرسل مخطط الوحدة، ورقمي قطعتي الشريحة، وجهد ناقل البيانات، وبيانات الحمل. ستُرسل لك HVC زوجًا من المكثفات المتطابقة مع أرقام القطع، وبيانات DF وESR عند تردد التبديل، وتقرير محاكاة الإجهاد، ومجموعة أدوات تقييم مكونة من عينتين خلال خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: لماذا يفشل المخمد الجانبي المصنوع من كربيد السيليكون أولاً؟

لأن كلاً من الإجهاد الحالي والإجهاد الحراري يقعان على هذا الجانب. يتم تشغيل رقاقة كربيد السيليكون في غضون 25 نانوثانية، بينما يتم تشغيل رقاقة السيليكون في غضون 80 نانوثانية، لذا فإن نسبة المشاركة هي 3.2، ويكون تيار التموج أعلى بنحو 70%. يتناسب فقدان المقاومة المكافئة التسلسلية طرديًا مع مربع التيار. كما أن نفس الجانب يسخن بمقدار 30 كلفن تقريبًا، مما يزيد معدل التفريغ الجزئي بمقدار خمسة أضعاف تقريبًا، ويسرع من عملية التقادم.

س2: هل يمكنني استخدام قيمة مكثف واحدة على كلا الجانبين؟

لا يحدث ذلك إلا إذا كان جانب السيليكون مصممًا بقدرة زائدة. يحتاج جانب كربيد السيليكون إلى قدرة تحمل 30 كيلوفولت لاستيعاب قفزة إيقاف تشغيل 300 فولت مع هامش أمان، بينما يتعرض جانب السيليكون لجهد 90 فولت تقريبًا ويعمل مع مكون بقدرة 20 كيلوفولت. إن استخدام نفس رقم المكون إما أن يترك جانب كربيد السيليكون بدون هامش أمان كافٍ أو يُحمّل جانب السيليكون تكلفة إضافية.

س3: ما مدى أهمية التصميم؟

يُحدد هذا النظام حث الحلقة، وبالتالي يُحدد توزيع التيار. أدى اختلاف طول المسار بمقدار 10 مم إلى رفع قيمة K_imb من 3.2 إلى ما يزيد عن 5.0 في البيانات الميدانية، بينما أدى اختلاف بمقدار 15 مم إلى زيادة سخونة النحاس على جانب كربيد السيليكون بمقدار 42 كلفن. أعاد قضيب توصيل نجمي يحافظ على الفرق في حدود 2 مم قيمة K_imb لوحدة 5 تسلا إلى 2.8.

س4: ما هي مقاومات البوابة التي يجب أن يستخدمها كل جانب؟

استخدم مقاومة تتراوح بين 5 و10 أوم على بوابة كربيد السيليكون، ومقاومة تتراوح بين 15 و20 أوم على بوابة السيليكون. تعمل قيمة مقاومة السيليكون الأكبر على إبطاء حافة الترانزستور ثنائي القطب ذي البوابة المعزولة (IGBT)، مما يسمح للرقاقتين بالوصول إلى نفس لحظة التبديل. مع استخدام شريحة ذات طبقة سميكة منخفضة الحث الكهروستاتيكي (ESL)، بقي انحراف التوقيت في حدود 5 نانوثانية، وانخفض الجهد الزائد على جانب كربيد السيليكون من 450 فولت إلى 280 فولت.

س5: كيف يمكنني ضبط مستوى شاشة التفريغ الجزئي؟

اضبط قيمة 5 بيكو كولوم عند 1.5 ضعف الجهد المقنن، وليس القيمة التقليدية 10 بيكو كولوم. يتميز توزيع التفريغ الجزئي على جانب كربيد السيليكون بنطاق أطول، لذا فإن وجود غطاء غير محكم يسمح بمرور الوحدات التي ستنحرف مبكرًا. يضمن الفحص الكامل بقيمة 5 بيكو كولوم على كلا القيمتين تقاربًا في سلوك التقادم بين الجانبين طوال فترة الخدمة.

س6: كيف أعرف أن الجانبين ما زالا متوازنين في الملعب؟

قم بقياس درجة حرارة الوصلتين وقارنها بين درجتي حرارة المكثفين على نفس مخطط الاتجاه. تشير الفجوة المتزايدة إلى انحراف في التصميم أو إلى تسارع تقادم أحد المكثفين. أضف فحصًا للتفريغ الجزئي أو المقاومة المكافئة المتسلسلة (ESR) خلال فترة الصيانة السنوية، حيث أن ارتفاع معامل التصريف (DF) على جانب كربيد السيليكون (SiC) هو أول علامة قابلة للقياس على عدم التوازن.

7. المراجع

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 1: المتطلبات العامة للسلامة الأساسية والأداء الأساسيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2012.
2. IEC 60601-2-54 ، المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-54: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الأساسي لمعدات الأشعة السينية المستخدمة في التصوير الشعاعي والتنظير الإشعاعيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2018.
3. إيك 60384-8، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 8: المكثفات الثابتة ذات العازل الخزفي، الفئة 1جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
4. إيك 60270، تقنيات اختبار الجهد العالي - قياسات التفريغ الجزئيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
5. إريكسون، آر دبليو، وماكسيموفيتش، د. أساسيات إلكترونيات القدرة، الطبعة الثالثة. تشام: سبرينغر، 2020.
6. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي، 2003.
7. هـ. وانغ وف. بلايبيرغ، موثوقية المكثفات لتطبيقات وصلة التيار المستمر في محولات إلكترونيات الطاقة - نظرة عامة، مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية، المجلد 50، العدد 5، الصفحات 3569-3578، 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
8. الولايات المتحدة 8,570,711 ، مكون إلكتروني خزفي متعدد الطبقات (كبح التفريغ القوسي لمكثفات MLCCs من 1 إلى 5 كيلو فولت)، شركة سامسونج للإلكتروميكانيكا المحدودة، مُنحت عام 2013، https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
9. ГОСТ IEC 61071-2014, المكثفات الإلكترونية السيلوفية (المكثفات لإلكترونيات الطاقة). موسكو: ستاندارتينفورم، 2014.
10. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقة، الطبعة 2.0. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com