يتم استخدام ترانزستورات كربيد السيليكون بشكل متزايد فيالجهد االكهربى محولات الطاقة لأنها يمكن أن تلبي المتطلبات الصارمة فيما يتعلق بالحجم والوزن و/أو كفاءة هذه التطبيقات. ولكن لماذا هذا؟ التكنلوجيا رائعة جدًا للمهندسين؟ ستقدم المدونة بعض الأفكار.
تتيح خصائص المواد البارزة لكربيد السيليكون (SiC) تصميم أجهزة أحادية القطب سريعة التبديل بدلاً من بوابة معزولة ثنائية القطب الترانزستور (IGBT) مفاتيح. وبالتالي، فإن الحلول التي كانت ممكنة فقط في عالم الجهد المنخفض بجهد 600 فولت أو أقل، أصبحت الآن ممكنة أيضًا في جهد الجهد العالي. والنتيجة هي زيادة الكفاءة، وترددات تحويل أعلى، وتقليل تبديد الحرارة، وتوفير المساحة - وهي فوائد تؤدي بدورها إلى تقليل تكلفة النظام الإجمالية.
حددت Infineon Technologies هذه الإمكانات منذ ما يقرب من 30 عامًا وأنشأت فريقًا من الخبراء في عام 1992 لتطوير ثنائيات SiC وترانزستورات للتطبيقات الصناعية عالية الطاقة. فيما يلي قائمة قصيرة وغير كاملة بالمعالم التي تم الوصول إليها منذ ذلك الحين:
- أول إدخال في العالم لثنائيات شوتكي القائمة على SiC في عام 2001
- أول وحدات طاقة تحتوي على أجهزة SiC في عام 2006
- إطلاق الجيل الخامس الحالي من ثنائيات SiC
- التحول الكامل إلى تقنية الويفر 150 مم في مصنع فيلاش للابتكار فيما يتعلق بالعرض الأول لجهاز Trench CoolSiC المبتكر™ MOSFET في القرن الرابع الميلادي
أكسيد المعادن-أشباه الموصلات تأثير الترانزستور الميدان (الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة) تم قبولها عمومًا كمفهوم الاختيار عند استهداف أجهزة موثوقة SiC. في البداية ، تأثير مجال الوصلة الترانزستور (JFET) بدت هياكل الحل النهائي لدمج الأداء والموثوقية في ترانزستور SiC. ومع ذلك ، مع تقنية الرقاقة 150 مم التي تم تأسيسها الآن ، أصبحت SiC MOSFET القائمة على الخندق ممكنة. بهذه الطريقة ، يمكن حل معضلة هياكل أشباه الموصلات ذات أكسيد الفلز المزدوج (DMOS) ذات الأداء أو الموثوقية العالية.
أجهزة الطاقة ذات فجوة الحزمة العريضة - مثل ثنائيات SiC والترانزستورات ، أو ترانزستورات نيتريد الغاليوم عالية الحركة للإلكترون (GaN HEMTs) - هي في الوقت الحاضر عناصر شائعة في مكتبة مصممي إلكترونيات الطاقة. لكن لماذا؟ ما هو الشيء الرائع في كربيد السيليكون على عكس السيليكون التقليدي؟ ما الذي يجعل مكونات SiC جذابة جدًا لمهندسي التصميم بحيث يستخدمونها كثيرًا في تصميماتهم على الرغم من تكاليفها المرتفعة مقارنة بأجهزة السيليكون عالية الجهد؟ دعونا نلقي نظرة على بعض الأسباب.
الخسائر المنخفضة وحقل الانهيار العالي هما المفتاح
في أنظمة تحويل الطاقة ، يسعى مهندسو التصميم باستمرار لتقليل فقد الطاقة أثناء التحويل. تعتمد الأنظمة الحديثة على التقنيات التي يتم فيها تشغيل وإيقاف ترانزستورات الحالة الصلبة بالاقتران مع العناصر السلبية. بالنسبة للخسائر المتعلقة بالترانزستورات المستخدمة ، هناك عدة جوانب ذات صلة.
- أولاً ، يجب على مهندسي التصميم مراعاة الخسائر في مرحلة التنفيذ. في MOSFETs يتم تحديدها من خلال المقاومة الكلاسيكية. في IGBTs ، هو محدد فقدان التوصيل الثابت على شكل جهد الركبة (V.ce_sat) بالإضافة إلى مقاومة تفاضلية لخاصية الإخراج. يمكن عادةً إهمال الخسائر في مرحلة الحجب.
- ثانيًا ، يجب أن يأخذ مهندسو التصميم في الاعتبار أن هناك دائمًا مرحلة انتقالية بين حالة التشغيل والإيقاف أثناء التبديل (الشكل 1). يتم تحديد الخسائر ذات الصلة في الغالب من خلال سعة الجهاز. في IGBTs ، هناك المزيد من المساهمات في مكانها نظرًا لديناميكيات حامل الأقلية (ذروة التشغيل ، تيار الذيل).
بناءً على هذه الاعتبارات، تتوقع أن يكون الجهاز المفضل دائمًا هو MOSFET. ومع ذلك، خاصة بالنسبة للجهد العالي، تصبح مقاومة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) السيليكونية عالية جدًا بحيث يكون إجمالي رصيد الخسارة أقل من توازن IGBTs، حيث يمكنها استخدام تعديل الشحن بواسطة حاملات الأقلية لتقليل المقاومة في وضع التوصيل.
الشكل 1: يوضح الشكل مقارنة رسومية لعملية التبديل وسلوك IV الثابت. (المصدر: انفينيون تكنولوجيز)
يتغير الوضع عندما يتم النظر في أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة. الشكل 2 يلخص أهم الخصائص الفيزيائية لـ SiC و GaN مقابل السيليكون. العلاقة المباشرة بين فجوة النطاق والمجال الكهربائي الحرج لـ أ أشباه الموصلات غير مهمة. مع SiC، فهو أعلى بحوالي 10 مرات مقارنة بالسيليكون.
الشكل 2: تُبرز الصورة الخصائص الفيزيائية الحاسمة لكل من SiC و GaN مقابل السيليكون. (المصدر: انفينيون تكنولوجيز)
مع هذه الميزة ، يختلف تصميم مكونات الجهد العالي. الشكل 3 يوضح التأثير ، باستخدام مثال جهاز أشباه الموصلات 5 كيلو فولت. في حالة السيليكون ، يضطر مصممو أشباه الموصلات إلى استخدام منطقة نشطة سميكة نسبيًا بسبب مجال الانهيار الداخلي المعتدل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن دمج عدد قليل فقط من المنشطات في المنطقة النشطة ، مما يؤدي إلى مقاومة سلسلة عالية (كما هو موضح في الشكل 1).
الشكل 3: SiC يسمح بالمناطق النشطة من أشباه الموصلات الرقيقة. (المصدر: انفينيون تكنولوجيز)
بفضل مجال الانهيار الأعلى 10 مرات في SiC ، يمكن جعل المنطقة النشطة أرق كثيرًا. في نفس الوقت ، يمكن دمج العديد من الحاملات الحرة ، وبالتالي ، يمكن تحقيق موصلية أعلى بكثير. يمكن القول أنه في حالة كربيد السيليكون ، فإن الانتقال بين الأجهزة أحادية القطب سريعة التبديل مثل MOSFETs أو ثنائيات Schottky ، والهياكل ثنائية القطب الأبطأ مثل IGBTs و pn diodes ، قد تحول الآن إلى جهد أعلى بكثير للحظر (الشكل 4).
الشكل 4: يوفر SiC جهدًا مانعًا أعلى من السليكون التقليدي. (المصدر: انفينيون تكنولوجيز)
أو العكس: ما كان ممكنًا مع السيليكون في نطاق الجهد المنخفض حوالي 50 فولت هو مع SiC ممكن لأجهزة 1200V.
وفي الختام
التقدم في تكنولوجيا WBG و السيليكون تمكن خصائص المواد المتفوقة من الكربيد هذه الأجهزة من العمل مع تبديل أسرع ، وخسائر تحويل منخفضة ، ومنطقة نشطة أرق ، مما ينتج عنه تصميمات ذات كفاءة أعلى وترددات تحويل أعلى وتوفير أفضل للمساحة. نتيجة لذلك ، أصبحت SiC MOSFETs الخيار المفضل على السيليكون التقليدي لتطبيقات تحويل الطاقة.
لمزيد من المعلومات، يرجى زيارة: www.mouser.com
ELE تايمز
-
ELE تايمزhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsتفتح مجموعة التصميم الجديدة الباب أمام الجيل التالي من الرقائق
-
ELE تايمزhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsيمكن أن تجمع محطات الشحن بين إنتاج الهيدروجين وتخزين الطاقة
-
ELE تايمزhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInfineon تدعم تطوير النظام البيئي في الزراعة الخضراء
-
ELE تايمزhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsأحدث أجهزة Samsung Galaxy Z القابلة للطي ، متوفرة الآن