Modules hybrides SiC/Si : condensateurs d’amortissement pour contraintes asymétriques

Modules hybrides SiC/Si : condensateurs d’amortissement pour contraintes asymétriques

Abstract

Les modules à gradient hybride utilisent un MOSFET SiC et un IGBT Si sur un seul bus CC. La puce SiC commute environ cinq fois plus vite ; par conséquent, le condensateur d'amortissement adjacent absorbe davantage de courant, de tension et de chaleur à chaque cycle. Les données de terrain HVC de 123 modules indiquent un taux de défaillance côté SiC 4.2 fois supérieur à celui côté Si. Cet article présente le modèle de contrainte, quatre pièges liés à la conception et à la synchronisation, ainsi que six étapes permettant d'équilibrer les deux composants.

1. Introduction

Les fabricants d'amplificateurs à gradient associent souvent des MOSFET en carbure de silicium (SiC) à des IGBT en silicium (Si) au sein d'un même module de puissance. La puce en SiC réduit les pertes de commutation et permet des rampes de gradient plus rapides. La puce en Si, quant à elle, maintient le coût du module à un niveau bas. Les deux puces partagent un bus CC, un dissipateur thermique et un circuit d'amortissement.

Les deux puces ne commutent pas à la même vitesse. La puce SiC atteint 50 kV/µs à l'amorçage et 100 kV/µs à la coupure. L'IGBT Si se situe aux alentours de 10 kV/µs et 30 kV/µs. À chaque cycle, ce décalage induit une augmentation du courant et de la tension dans le condensateur côté SiC.

Les données recueillies sur le terrain auprès de 123 modules à gradient hybride HVC révèlent le coût. Le taux de défaillance du circuit d'amortissement côté SiC est de 0.8 % par an, soit 4.2 fois supérieur à celui du circuit côté Si (0.19 % par an). Après 18 mois, trois modules ont grillé, tous du côté SiC.

Cet article présente le modèle de stress, les pièges liés à la configuration et au timing qui creusent l'écart, ainsi que les étapes de sélection permettant de rétablir l'équilibre entre les deux parties.

2. Mécanisme de base

2.1 Incompatibilité d'activation et partage de courant

La différence de temps d'activation Δt_on détermine l'intensité du courant consommé par chaque puce. Une puce plus rapide atteint la conduction en premier et supporte seule la charge pendant cet intervalle.

Δi_share = V_bus · Δt_on / L_loop

où Δi_share est l'étape actuelle que la puce rapide effectue seule, V_bus la tension du bus CC, Δt_on la différence de temps d'activation entre les deux puces et L_loop l'inductance de la boucle de commutation.

Avec V_bus = 800 V et L_loop = 30 nH, l'échelon de courant est d'environ 1.47 kA. La puce SiC s'active en 25 ns et la puce Si en 80 ns, ce qui donne un rapport de partage de 3.2. Le condensateur côté SiC supporte environ 70 % de courant d'ondulation en plus et sa dissipation ESR est supérieure d'environ 30 K.

2.2 Couper la surtension de chaque côté

La vitesse de coupure détermine la surtension que le circuit d'amortissement doit absorber. Une coupure plus rapide induit un dI/dt plus élevé à travers l'inductance de la boucle.

ΔV_off = L_loop · dI/dt

où ΔV_off est la surtension à la coupure, L_loop l'inductance de boucle et dI/dt la pente du courant au bord de commutation.

Le courant de coupure du SiC atteint 10 kA/µs contre 3 kA/µs pour l'IGBT en Si. Sur une boucle de 30 nH, la tension côté SiC est d'environ 300 V et celle côté Si de seulement 90 V, soit un rapport de 3.3. Un condensateur à disque céramique de 4.7 nF/30 kV absorbe cette surtension de 300 V et laisse une tension résiduelle proche de 20 V, largement inférieure à la marge diélectrique.

2.3 Le couplage thermique augmente le taux de décharge partielle

L'écart de 30 K entre les deux côtés provoque la dispersion des décharges partielles. Le taux de décharges partielles suit une loi exponentielle en fonction de la température.

f_PD ∝ exp(−Ea / kT)

où f_PD est le taux d'activité de décharge partielle, Ea l'énergie d'activation du diélectrique, k la constante de Boltzmann et T la température absolue.

Le N4700 possède une énergie d'activation proche de 1.5 eV ; une élévation de tension de 30 K multiplie donc par cinq environ le taux de décharges partielles. Le condensateur côté SiC vieillit par conséquent plus rapidement et sa distribution de décharges partielles présente une queue plus longue que celle du côté Si. Un contrôle de 5 pC à 1.5 fois la tension nominale permet d'éliminer les unités présentant des décharges partielles élevées avant leur expédition.

2.4 Le coefficient de déséquilibre actuel

Un seul chiffre permet de suivre l'état de santé du couple.

K_imb = i_share_SiC / i_share_Si

où K_imb est le coefficient de déséquilibre de courant, i_share_SiC le courant de crête dans l'amortisseur côté SiC et i_share_Si le courant de crête dans l'amortisseur côté Si.

Un module apparié maintient K_imb entre 1.05 et 1.15. Les modules hybrides mesurés par HVC se situent aux alentours de 3.2, et une différence de piste de 10 mm fait passer la valeur au-dessus de 5.0.

Fig. 1 — Un module hybride charge le circuit d'amortissement côté SiC avec une surtension de 300 V et 3.2 fois le courant d'ondulation, et le côté Si avec 90 V.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Problème n° 1 : Une seule référence pour les deux côtés

Plusieurs modèles utilisent le même condensateur des deux côtés. Cela surdimensionne le côté silicium et sous-dimensionne le côté carbure de silicium. Un module à gradient de 3 T, utilisant un condensateur X7R de 4.7 nF/10 kV côté carbure de silicium, a rendu l'âme après 14 mois, endommageant deux modules. Le côté carbure de silicium nécessite une capacité plus élevée, par exemple 4.7 nF/30 kV.

Point faible n° 2 : Agencement asymétrique

La longueur de la piste détermine l'inductance de boucle, et cette dernière détermine le rapport de partage. Dès que la différence entre les deux côtés dépasse 10 mm, K_imb passe de 3.2 à plus de 5.0. Un module de 5 T a atteint une valeur de 5.5 avec une élévation de température supérieure à 110 °C. Une différence de 15 mm a entraîné une température de cuivre côté SiC supérieure de 42 K à celle côté Si.

Point faible n° 3 : Décalage du timing des portes

Le SiC nécessite une constante de temps de plateau de Miller courte, d'environ 10 ns contre 50 ns pour l'IGBT en silicium. Une seule commande de grille ne peut pas alimenter les deux. Un module 7 T avec un déphasage de 35 ns a vu la surtension côté SiC passer de 300 V à 450 V, proche de la limite du composant.

Point faible n° 4 : Détection de température unilatérale.

Certains modules mesurent la température de jonction côté silicium et ignorent celle côté carbure de silicium. Un système 3T hospitalier, dont la jonction en carbure de silicium était maintenue à 135 °C, a subi une défaillance de quatre modules en deux ans. Chaque côté nécessite son propre capteur et son propre seuil de déclenchement.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Installer un condensateur différent de chaque côté

Utilisez une capacité de 4.7 nF/30 kV. Condensateur à disque céramique N4700 Du côté SiC, où la tension de crête est élevée, utilisez un condensateur de 2.2 nF/20 kV du côté Si. Un diélectrique de classe I maintient le facteur de dissipation (DF) en dessous de 0.1 % et limite l'échauffement par effet Joule (ESR) malgré un courant d'ondulation élevé.

Stratégie 2 : Maintenir la symétrie de la trace à moins de 2 mm

Tracez une barre omnibus en étoile de sorte que les deux condensateurs d'amortissement soient à égale distance électrique du bus DC. Veillez à ce que la différence de longueur des pistes ne dépasse pas 2 mm. Lors d'une modernisation d'un système 5 T, cette seule étape a permis de réduire K_imb de 5.0 à 2.8.

Stratégie 3 : Synchroniser avec des résistances de grille non inductives

Utilisez une résistance de 5 à 10 Ω sur la grille SiC et de 15 à 20 Ω sur la grille Si. La valeur la plus élevée pour la grille Si ralentit l'IGBT et rapproche les deux fronts de conduction. Une résistance à couche épaisse et à faible inductance, telle que… HVRGHP maintient l'ESL en dessous de 50 nH, maintient le décalage à l'intérieur de 5 ns et réduit la surtension côté SiC de 450 V à 280 V sur un module 7 T.

Stratégie 4 : Supprimer la récupération inverse dans la trajectoire de roue libre

Forme diodes à récupération rapide Avec un temps de récupération (trr) inférieur à 50 ns en mode roue libre, un facteur S supérieur à 2 assure une récupération douce. Cette étape réduit d'environ 60 % le pic de récupération inverse côté SiC.

Stratégie 5 : Détecter et faire trébucher chaque côté individuellement

Placez un capteur NTC sur chaque puce et effectuez un échantillonnage à une fréquence inférieure à 500 ms. Réglez le seuil de déclenchement du SiC à 115 °C et celui du Si à 125 °C. Cette protection indépendante empêche l'emballement thermique d'un seul côté de mettre hors service l'ensemble du module.

Stratégie 6 : Contrôler les décharges partielles et vérifier par simulation

Achetez en respectant une limite de décharge partielle de 5 pC à 1.5 fois la tension nominale. Demandez une simulation de contrainte du module hybride. HVC construit le modèle à deux puces dans LTspice et fournit la répartition de la tension et du courant de chaque côté avant le gel du schéma.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	moins de 50 mΩ	-
Inductance de boucle (accord E40)	en dessous de 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	supérieure à 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	au-dessus de 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC pour modules de gradient hybrides

Un module hybride n'est équilibré que si chaque côté reçoit une pièce adaptée à ses contraintes. HVC fabrique ces deux pièces à partir d'un diélectrique N4700, pour une plage de tensions allant de 1 kV à 150 kV, dans son usine de 6 000 m² située à Dongguan.

Six paramètres importants ici

• Le facteur de dissipation (DF) est inférieur à 0.1 %. La tangente de perte reste inférieure à 0.1 % à haute fréquence et haute tension, de sorte que l'échauffement par ESR reste faible, à 3.2 fois le courant d'ondulation.
• Tension nominale jusqu'à 30 kV. Le côté SiC absorbe une surtension de coupure de 300 V et une surtension transitoire de défaut de 450 V sans atteindre la limite diélectrique.
• Inductance ESL inférieure à 10 nH. La faible inductance des conducteurs empêche la boucle d'amortissement d'osciller, de sorte que la tension de blocage reste proche de 20 V résiduels.
• Les décharges partielles sont inférieures à 5 pC à une tension de 1.5 à 2 fois la tension nominale. Un blindage serré réduit la durée de vie des décharges partielles côté SiC et ralentit le vieillissement du diélectrique.
• Composants coordonnés. Condensateurs à bornes à vis HVCT8G, HVR-BSP résistances à couche épaisseLes résistances de grille HVRGHP et les diodes HVD peuvent être commandées en un seul ensemble pour le circuit d'amortissement, la commande de grille et la boucle de roue libre.
• Équivalent aux marques de premier plan. Les pièces HVC correspondent aux paramètres électriques et aux indicateurs de fiabilité de Vishay 715C/660R, Murata DHR/DHS et AVX HP/HK, et sont utilisés dans la production en grande série de modules à gradient pour les équipementiers d'imagerie médicale.

Livraison et support

Les pièces standard sont expédiées sous 4 à 8 semaines et les ensembles appariés sous 6 à 10 semaines, contre 20 à 30 semaines en moyenne pour les marques mentionnées précédemment. Le délai de livraison pour une paire différenciée est court car les deux valeurs proviennent d'une seule pâte thermique et d'une seule gamme.

Veuillez envoyer la topologie du module, les références des deux puces, la tension du bus et le profil de charge. HVC vous fournira sous cinq jours ouvrés une paire de condensateurs appariés avec leurs références, les données de facteur de dissipation (DF) et de résistance série équivalente (ESR) à la fréquence de commutation, un rapport de simulation de contrainte et un kit d'évaluation de deux échantillons.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi le circuit d'amortissement côté SiC tombe-t-il en panne en premier ?

En effet, les contraintes de courant et thermiques s'exercent toutes deux sur cette face. La puce SiC s'active en 25 ns et la puce Si en 80 ns, soit un rapport de partage de 3.2 et un courant d'ondulation environ 70 % plus élevé. Les pertes par résistance série équivalente (ESR) sont proportionnelles au carré du courant. Cette même face atteint également une température supérieure d'environ 30 K, ce qui multiplie par cinq le taux de décharge partielle et accélère le vieillissement.

Q2 : Puis-je utiliser une même valeur de condensateur des deux côtés ?

Uniquement si le côté silicium est surdimensionné. Le côté carbure de silicium (SiC) nécessite une tension nominale de 30 kV pour absorber une brusque coupure de 300 V avec marge, tandis que le côté silicium est soumis à environ 90 V et fonctionne avec un composant de 20 kV. Utiliser une seule référence de composant entraîne soit une marge insuffisante du côté SiC, soit un surcoût du côté silicium.

Q3 : Quelle importance a la mise en page ?

Elle détermine l'inductance de boucle, et donc la répartition du courant. Une différence de 10 mm dans la longueur des pistes a fait passer K_imb de 3.2 à plus de 5.0 d'après les données de terrain, et une différence de 15 mm a entraîné une surchauffe de 42 K du cuivre côté SiC. Une barre omnibus en étoile, maintenant la différence à moins de 2 mm, a ramené K_imb à 2.8 pour un module de 5 T.

Q4 : Quelles résistances de grille chaque côté doit-il utiliser ?

Utilisez une résistance de 5 à 10 Ω sur la grille SiC et de 15 à 20 Ω sur la grille Si. La valeur plus élevée de la résistance Si ralentit la transition de l'IGBT, permettant ainsi aux deux puces d'atteindre le même instant de commutation. Avec un composant à couche épaisse à faible ESL, le déphasage temporel est resté inférieur à 5 ns et la surtension côté SiC a diminué de 450 V à 280 V.

Q5 : Comment régler le niveau du filtre à décharge partielle ?

Réglez le seuil à 5 ​​pC à 1.5 fois la tension nominale, et non à 10 pC comme c'est le cas habituellement. La distribution des décharges partielles côté SiC présente une traînée plus longue ; un blindage mal ajusté peut donc laisser passer des composants susceptibles de dériver prématurément. Un contrôle complet à 5 pC sur les deux valeurs permet de garantir un comportement au vieillissement plus homogène des deux côtés tout au long de la durée de vie.

Q6 : Comment savoir si les deux camps sont toujours à égalité sur le terrain ?

Mesurez la température des deux jonctions et comparez les températures des deux condensateurs sur le même graphique. Un écart croissant indique une dérive de la topologie ou un vieillissement plus rapide d'un condensateur. Prévoyez un contrôle de la décharge partielle (PD) ou de la résistance série équivalente (ESR) lors de la maintenance annuelle, car une augmentation du facteur de dissipation (DF) côté SiC est le premier signe mesurable de déséquilibre.

7. Références

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11. Équipe d'ingénierie des applications HVC, Condensateur céramique haute tension Ressources techniques, https://www.hv-caps.com