Simulación de Mosfet de potencia en carburo de silicio

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1 Simulación de Mosfe de poencia en carburo de silicio Leobardo Hernández González 1, Climaco Arvizu Ogilvie 1, Marco Anonio Rodríguez 2, Abraham Claudio Sanchez 3, Jesús Aguayo Alquisira 3 1 ESIME-C IPN; Av. Sa. Ana 1000, Col. San Fco. Culhuacán; C.P , México D.F. 2 Universidad Auónoma del Carmen, CP , Ciudad del Carmen, Campeche, México. 3 Cenro Nacional de Invesigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) Cuernavaca, Morelos, México. lhernandezg@ipn.mx (Recibido el 10 de Abril de 2014, acepado el 27 de Noviembre de 2014) Resumen Se presenan resulados de simulación y experimenales del Mosfe de poencia en carburo de silicio (SiC-Mosfe). El análisis de simulación obenido se focaliza principalmene en el comporamieno de la señal de compuera dependiene de las variaciones de la corriene de drenaje,, daos que se uilizan en el desarrollo de un esquema de deección de avería en disposiivos de poencia aplicado a circuios converidores. Para la obención de una simulación con una mejor aproximación a la realidad, se uilizó el modelo del SiC-Mosfe proporcionado por el fabricane: CREE. Para la comprobación y validación de los resulados de simulación obenidos, se uilizó un converidor de poencia ipo elevador como circuio de conmuación del Mosfe. La comparación de la simulación y daos experimenales, permie deerminar el valor más adecuado de resisencia de compuera, y de esa forma observar con gran dealle el comporamieno de la capaciancia de compuera-fuene, para la ubicación de umbrales de deección de disposiivo dañado y su poserior incorporación a un sisema de deección de averías. Palabras clave: Simulación Pspice, Mosfe de poencia, Carburo de Silicio. Absrac Simulaion resuls and experimenal power MOSFET in silicon carbide (SiC-MOSFET) are presened. The obained simulaion analysis is focuses primarily on he behavior of he gae-source signal dependen of changes he drain curren,, daa used in he developmen of faul deecion scheme in power devices applied o converer circuis. To obain a simulaion wih a beer approximaion o realiy, was used a SiC-MOSFET model provided by he manufacurer: CREE. For he verificaion and validaion of he simulaion resuls obained, a boos converer was design as swiching circui of MOSFET. The comparison of simulaion and experimenal daa, allow deermine he mos appropriae value of gae resisor, and his manner o observe wih grea deail he behavior of he capaciance of gae-source, for he beer locaion of deecion hresholds of damaged device and is subsequen incorporaion ino a sysem of faul deecion. Keywords: Pspice simulaion, power Mosfe, silicon carbide. PACS: Bd, kg, ISSN I. INTRODUCCIÓN de deección de fallas empranas, principalmene al disposiivo de conmuación, que permia deecar y aislar El carburo de silicio (SiC) es uno de los maeriales de forma emprana al disposiivo en proceso de avería y idóneos para reemplazar al silicio en la fabricación de eviar la propagación de la falla a odo el sisema disposiivos de poencia, debido a sus superiores elecrónico. En [6, 7] se ha reporado y comprobado que propiedades físicas. Esas propiedades son: una banda un méodo de deección de averías lo más emprano prohibida más amplia (2x), una velocidad de sauración posible, debe de esar basado en el comporamieno de la de elecrones más elevada (2x) y una mayor señal de compuera procesada a parir de circuios conducividad érmica (5x) [1, 2, 3, 4, 5]. De los disinos analógicos, lográndose iempos de respuesa del orden de disposiivos de poencia que se han fabricado en SiC, el microsegundos. Con el desarrollo comercial del SiC- Mosfe de poencia es una de las esrucuras en Mosfe y dado que el valor de capaciancia reporada por semiconducores donde se vislumbra una gran aplicación el fabricane es del orden de pf [8, 9], se hace necesario y reemplazo de su conrapare (silicio), principalmene en un análisis deallado de la señal de compuera del SiCconveridores de poencia. Las alas caracerísicas Mosfe para la correca selección de los valores de umbral elécricas del SiC-Mosfe (mayor capacidad de corriene y más adecuados en la deección correca de una avería y su volaje) imponen la necesidad de adicionar un subsisema La. Am. J. Phys. Educ. Vol. 8, No. 4, Dec hp://

2 Leobardo Hernández González, Clímaco Arvizu Ogilvie, Marco Anonio Rodríguez, Jesús Aguayo Alquicira aislamieno como medida para eviar su propagación a odo el sisema de poencia. II. ANALISIS TRANSITORIO DEL MOSFET En ese arículo se validan los resulados de simulación de comporamieno de carga de la señal de Para obener resulados de comporamieno de la compuera-fuene del SiC-Mosfe con valores capaciancia de enrada del SiC-Mosfe, se realizó la experimenales, para el proceso de validación se diseñó y simulación del comporamieno de S que depende del armó un converidor ipo elevador, el cual permie obener proceso de carga y descarga de C GS y de la corriene de daos experimenales conrolados de carga en la drenaje; además para asegurar resulados de simulación capaciancia de enrada. confiables se uilizó un modelo proporcionado por Cree, Los resulados obenidos (simulación y experimenal) el fabricane del disposiivo. El disposiivo uilizado es el permiieron idenificar los valores de umbral más CMF10120 (ID=10A, VDS=1200V). adecuados para configurar un sisema de deección de averías aplicado a la ecnología de carburo de silicio en converidores de poencia. Volaje en compuera Volaje en compuera Volaje en compuera M 1 V T Corriene en drenaje Corriene en drenaje Corriene en drenaje (a) Condición Normal (b) Circuio coro (c) Circuio abiero FIGURA 1. Evolución de S al ransiorio a conducción (a) condición normal, (b) circuio coro y (c) circuio abiero. En la Figura 1 se muesra el comporamieno eórico que se espera de la señal de compuera-fuene y su dependencia con la corriene de drenaje. El análisis eórico en la fase de conmuación a conducción es el siguiene: A. Inervalo de iempo 1 El volaje de compuera (S ) que esablece la evolución de la corriene de drenaje ( ), esá condicionado por el comporamieno de carga que se esablece en C GS. La dinámica de carga es conrolada en forma exerna por el resisor de conrol R G. De la Figura 1 se observa que mienras el volaje de compuera no alcance el valor de umbral, V T, no se esablecerá flujo de corriene enre las erminales de drenaje y de fuene, maneniéndose =0. El iempo que arda el volaje de compuera en alcanzar el valor de V T se define como iempo de reardo a la conducción. La expresión que deermina la evolución del volaje dependiene del iempo en el inervalo 1, se define con la Ecuación 1 [10]. V GS =VGM 1-e - R C +C G GS GD. (1) B. Inervalo de iempo 2 Un insane de iempo después de 1, la corriene de drenaje empieza a incremenarse, la corriene del diodo se considera consane y se ransfiere al Mosfe. En ese caso la corriene de drenaje se incremena en proporción al volaje de compuera. Debido al efeco Miller la capaciancia C GD empieza a cargarse exponencialmene, proceso que es descrio por la Ecuación 2: - R G C GS +C I GD D ()=g m VGM 1-e -VT. (2) C. Inervalo de iempo 3 Al final de 2, el oal de corriene de carga se ha ransferido del diodo al Mosfe, el diodo enra en bloqueo inverso y el volaje de drenaje disminuye del valor V S al valor V DS_ON. Como la corriene es consane, el volaje de compuera ambién permanece consane, y el valor final se encuenra con la Ecuación 3. La. Am. J. Phys. Educ. Vol. 8, No. 4, Dec hp://

3 I V =V + =V L GS T G1 gm. (3) Como el volaje de compuera es consane, oda la corriene fluye a la capaciancia C GD, por lo que la corriene de compuera se deermina con la Ecuación 4. V I = -V = 1 V I - V + GM G1 L G GM T RG RG gm. (4) Para calcular el volaje de drenaje como función del iempo, se calcula el cambio del volaje de compueradrenaje a cambio del iempo, como la corriene de drenaje se maniene consane en ese inervalo, se obiene la expresión 5. I L VGM -V T + dv GD dv DS I G g m = = =. (5) d d C R C GD G GD Simulación de Mosfe de poencia en carburo de silicio III. RESULTADO DE SIMULACION DE S En la Figura 3, se muesra el comporamieno de S para =1A con variación de R G, donde el valor paricular de R G condiciona la dinámica de carga (iempo de carga de C GS ). A valores pequeños de R G se incremena la dinámica de carga, pero se reduce la duración de la fase plana de carga de C GS, y aumena el valor del umbral de inicio, lo que dificula su deección. A valores mayores de R G se reduce la dinámica de carga, aumena la duración de la fase de carga plana de C GS, disminuyendo el umbral en el que se presena más facilidad de deección de umbral. 10nH R G C GD 10nH SiC- MOSFET CMF10120 V DD=300V Para enconrar el volaje de drenaje se inegra la expresión 5, obeniéndose la ecuación 6. S C GS I L VGM -V T + g m VD =VS-. (6) R C Después de 3, el volaje de compuera sigue creciendo hasa alcanzar el valor M, pero el cambio de M ya no iene influencia sobre la corriene de drenaje ni el volaje de drenaje ya que esos han alcanzado su valor esable. Del comporamieno eórico presenado, la zona de inerés principal a analizar es la región plana (S consane) que ocurre durane el inervalo del iempo 3 deerminado por la Ecuación 2. Como se puede observar de (2), si exise un cambio en la () (avería por coro o por circuio abiero), se induce un cambio en el comporamieno de la señal de compuera S, el comporamieno de la pare plana de S como proceso de deección de falla en disposiivos de poencia ha sido comprobado en [6] y [7]. Para comprender la dinámica que se presena en la carga de la capaciancia de enrada del SiC-Mosfe y deerminar los valores de umbral más adecuados para el acoamieno de la pare plana de S, se procede a simular el comporamieno del SiC-Mosfe a diferenes valores de corriene y de resisencia de compuera, los resulados a obener permiirán simular comporamieno de coro-circuio y circuio-abiero para la deerminación de los valores de umbral a uilizar en el sisema de deección de averías. En la Figura 2, se muesra el circuio que se uilizó como base de simulación para la obención del comporamieno del SiC-Mosfe CMF G GD La. Am. J. Phys. Educ. Vol. 8, No. 4, Dec hp:// 10nH FIGURA 2. Circuio equivalene del SiC-Mosfe para análisis de comporamieno de C GS. FIGURA 3. Comporamieno de S para =1A con R G de 10Ω, 50 Ω, 100 Ω y 180 Ω. En la Figura 4, se muesra el comporamieno de S para =10A con variación de R G. De la figura se puede observar que a valores pequeños de R G se aumena la dinámica de carga de C GS, donde la ubicación de la fase plana aumena con respeco a los valores de =1A.

4 Leobardo Hernández González, Clímaco Arvizu Ogilvie, Marco Anonio Rodríguez, Jesús Aguayo Alquicira FIGURA 4. Comporamieno de S para = con R G de 10Ω, 50 Ω, 100 Ω y 180 Ω. FIGURA 6. Capaciancia de enrada C GD y V DS para =1A, 5A y 10A con R G =180Ω. Del comporamieno enconrado de las Figuras 3 y 4 se concluye que el valor paricular de R G de 180Ω, permiirá una dinámica de carga adecuada de S para su censado experimenal de condiciones de coro circuio y circuio abiero. En la Figura 5 se muesra el comparaivo de S para =1A e =10A con R G =180 Ω. La fase plana presena un umbral inferior 8V y un umbral superior de 12V. Es precisamene ese cambio de umbral al inicio y al final de fase plana el que se aprovecha para deerminar si el disposiivo de poencia esá enrando en una fase de circuio abiero o fase de coro circuio. Para deerminar los valores de umbral más adecuados en la deección de avería, se procede a obener resulados experimenales con el valor R G =180 Ω seleccionado en los resulados de simulación. III. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE S Para la obención de resulados experimenales, se diseñó un converidor ipo elevador, se uilizó ese esquema elecrónico ya que su principio de operación permie obener resulados experimenales de carga de la capaciancia de compuera del SiC-Mosfe en forma conrolada. Los daos de diseño del converidor elevador son: I OUT =2A, ΔI IND =1.2A VO=300V, ΔV0=3V y F SW =50Khz [11]. FIGURA 5. Comparaivo de S para =1A e =10A con R G =180Ω. FIGURA 7. Converidor ipo elevador. En la Figura 6, se muesra el comporamieno de la En la Figura 8, se muesra el comporamieno capaciancia de enrada para valores de 1A, 5A y 10ª. experimenal de S para R G =47Ω. La raza amarrilla es Como se puede observar, el cambio en el S sin acondicionar y la raza verde es S comporamieno de C GD inicia una vez que S alcanza el acondicionada a ravés de un amplificador de valor de V T. insrumenación (para su procesamieno poserior), lo que permiirá deerminar más adecuadamene los valores de La. Am. J. Phys. Educ. Vol. 8, No. 4, Dec hp://

5 umbral. Como se observa de la forma de onda experimenal, se corrobora el comporamieno esperado de acuerdo a la simulación obenida en la Figura 3 para R G =50Ω. Simulación de Mosfe de poencia en carburo de silicio converidores de poencia. FIGURA 10. Comporamieno experimenal de S para R G =180Ω. FIGURA 8. Comporamieno experimenal de S para R G =47Ω e =4A. En la Figura 9, se muesra el comporamieno experimenal de S para R G =100Ω. Como se observa de la forma de onda experimenal, el comporamieno de la pare plana de carga de C GS es más noorio, comporamieno eórico esperado de acuerdo a la Ecuación 2 y validado con la simulación de la Figura 3. IV. CONCLUSIONES Se realizó análisis del comporamieno específico de la carga de capaciancia de enrada de un Mosfe de poencia en carburo de silicio. Donde los resulados obenidos de simulación fueron corroborados con daos experimenales a parir de un converidor ipo elevador. Se corroboró experimenalmene la elección de R G a su valor ópimo, el cual permiió un adecuado acondicionamieno de la señal compuera-fuene del Mosfe, y la deerminación de los volajes de umbral para su incorporación a un sisema de deección de averías. AGRADECIMIENTOS Se agradece al IPN-COFAA por el apoyo oorgado para la realización de ese rabajo a ravés del proyeco de invesigación SIP REFERENCIAS FIGURA 9. Comporamieno experimenal de S para R G =100Ω. Finalmene, en la Figura 10, se muesra el comporamieno experimenal S para R G =180Ω. Ese valor paricular de R G, que fue seleccionado en la fase de simulación, permie obener un comporamieno experimenal adecuado para que a parir de la señal acondicionada S, se puedan deerminar los valores de umbral para para configurar un sisema de deección de averías aplicado a la ecnología de carburo de silicio en [1] Singh, S., Reliabiliy and performance limiaions in SiC power devices, Microelecronics Reliabiliy 46, (2006). [2] Agarwal, A., Das, M., Hull, B., Sumi K., Palmour, J., Richmond, J., Sei-Hyung R. and Zhang, J., Progress in silicon carbide power devices, IEEE Devices Research Conference, June (2006). [3] Zolper, J. C., Emerging silicon carbide power elecronics componens, IEEE Applied Power Elecronics Conference and Exposiion, February (2005). [4] Holz, M., Hulsch, T. and Rupp, R., Reliabiliy consideraions for recen Infineon SiC diode releases, Microelecronics Reliabiliy 47, (2007). La. Am. J. Phys. Educ. Vol. 8, No. 4, Dec hp://

6 Leobardo Hernández González, Clímaco Arvizu Ogilvie, Marco Anonio Rodríguez, Jesús Aguayo Alquicira [5] Ozpineci, B. and Tolber, L. M., Characerizaion of medición de la señal de compuera, Proc. IEEE Congreso SiC Schoky diodes a differen emperaures, Power Inernacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico, Elecronics Leers 1, (2003). Cuernavaca Morelos México, [6] Rodríguez-Blanco, M. A. Claudio-Sánchez, A., [8] hp:// visiado el 20 de marzo de Theilliol, D., Vela-Valdés, L. G., Sibaja Terán, P., [9] hps:// visiado el 20 de marzo de Hernández-González, L. and Aguayo-Alquisira, J., A failure deecion sraegy for IGBT based on gae volage [10] Baliga, B. J., Power semiconducor devices, (PWS behavior applied o a moor drive sysem, IEEE Publishing Company, Norh Carolina Sae Universiy, Transacions on Indusrial Elecronics 58, ). (2011). [11] Mohan, N., Undeland, T. M. and Robbins, W. P., [7] Rodríguez, M. A., López, M., Sibaja, P., Hernández, Power elecronics: converers, applicaions, and design, L., Vázquez, J. L., Aspecos críicos en el diseño de un 3rd Ed. (Wiley, USA, 2003). circuio de deección de fallas en el IGBT basado en la La. Am. J. Phys. Educ. Vol. 8, No. 4, Dec hp://