Transistor silikon karbida semakin banyak digunakan dalamtegangan konverter daya karena dapat memenuhi persyaratan ketat mengenai ukuran, berat, dan/atau efisiensi aplikasi ini. Tapi kenapa ini terjadi teknologi begitu menarik bagi para insinyur? Blog ini akan memberikan beberapa wawasan.
Sifat material silikon karbida (SiC) yang luar biasa memungkinkan desain perangkat unipolar beralih cepat alih-alih Bipolar Gerbang Terisolasi Transistor (IGBT) beralih. Oleh karena itu, solusi yang sebelumnya hanya dapat dilakukan di dunia tegangan rendah dengan tegangan 600V ke bawah, kini juga dapat dilakukan pada tegangan yang lebih tinggi. Hasilnya adalah peningkatan efisiensi, frekuensi peralihan yang lebih tinggi, pembuangan panas yang lebih sedikit, dan penghematan ruang—manfaat yang, pada gilirannya, juga mengurangi biaya sistem secara keseluruhan.
Infineon Technologies mengidentifikasi potensi ini hampir 30 tahun yang lalu dan membentuk tim ahli pada tahun 1992 untuk mengembangkan dioda dan transistor SiC untuk aplikasi industri berdaya tinggi. Berikut adalah daftar pencapaian yang singkat dan tidak lengkap yang dicapai sejak saat itu:
- Pengenalan pertama dioda Schottky berbasis SiC di dunia pada tahun 2001
- Modul daya pertama yang berisi perangkat SiC pada tahun 2006
- Pelepasan dioda SiC generasi kelima saat ini
- Peralihan penuh ke teknologi wafer 150mm di Pabrik Inovasi Villach sehubungan dengan pemutaran perdana Trench CoolSiC yang inovatif™ MOSFET di 2017
Logam-oksida-Semikonduktor transistor efek medan (MOSFET) telah diterima secara umum sebagai konsep pilihan ketika membidik perangkat SiC yang andal. Awalnya, efek medan persimpangan Transistor (JFET) struktur tampaknya solusi utama untuk menggabungkan kinerja dan keandalan dalam transistor SiC. Namun, dengan teknologi wafer 150mm yang sekarang sudah mapan, MOSFET SiC berbasis parit telah menjadi layak. Dengan cara ini, dilema struktur semikonduktor oksida logam ganda (DMOS) yang memiliki kinerja atau keandalan tinggi dapat diselesaikan.
Perangkat daya berbasis celah pita lebar—seperti dioda dan transistor SiC, atau transistor mobilitas elektron tinggi galium nitrida (GaN HEMTs)—saat ini merupakan elemen umum di perpustakaan perancang elektronika daya. Tapi kenapa? Apa yang begitu menarik tentang silikon karbida berbeda dengan silikon tradisional? Apa yang membuat komponen SiC begitu menarik bagi para insinyur desain sehingga mereka sering menggunakannya dalam desain mereka meskipun biayanya lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat tegangan tinggi silikon? Mari kita lihat beberapa alasannya.
Kerugian Rendah dan Bidang Kerusakan Tinggi Adalah Kunci
Dalam sistem konversi daya, insinyur desain terus berusaha untuk mengurangi kehilangan energi selama konversi. Sistem modern didasarkan pada teknologi di mana transistor solid-state dinyalakan dan dimatikan dalam kombinasi dengan elemen pasif. Untuk kerugian yang terkait dengan transistor yang digunakan, beberapa aspek relevan.
- Pertama, insinyur desain harus mempertimbangkan kerugian dalam fase konduksi. Dalam MOSFET ini didefinisikan oleh resistensi klasik. Dalam IGBT, ini adalah penentu kerugian konduksi tetap dalam bentuk tegangan lutut (Vce_sat) dan tambahan resistansi diferensial dari karakteristik keluaran. Kerugian dalam fase pemblokiran biasanya dapat diabaikan.
- Kedua, insinyur desain harus mempertimbangkan bahwa selalu ada fase transisi antara keadaan ON dan OFF selama switching (Gambar 1). Kerugian terkait sebagian besar ditentukan oleh kapasitansi perangkat. Di IGBT, kontribusi lebih lanjut ada karena dinamika pembawa minoritas (puncak nyala, arus ekor).
Berdasarkan pertimbangan ini, Anda berharap bahwa perangkat pilihan selalu a MOSFET. Namun, terutama untuk tegangan tinggi, resistansi MOSFET silikon menjadi sangat tinggi sehingga keseimbangan kerugian total lebih rendah dibandingkan IGBT, karena MOSFET silikon dapat menggunakan modulasi muatan oleh pembawa minoritas untuk menurunkan resistansi pada mode konduksi.
Gambar 1: Gambar menunjukkan perbandingan grafis dari proses switching dan perilaku IV statis. (Sumber: Infineon Technologies)
Situasi berubah ketika semikonduktor celah pita lebar dipertimbangkan. Gambar 2 merangkum sifat fisik terpenting SiC dan GaN versus silikon. Korelasi langsung antara celah pita dan medan listrik kritis a semikonduktor penting. Dengan SiC, jumlahnya sekitar 10 kali lebih tinggi dibandingkan dengan silikon.
Gambar 2: Gambar menyoroti sifat fisik kritis SiC dan GaN versus silikon. (Sumber: Infineon Technologies)
Dengan fitur ini, desain komponen tegangan tinggi berbeda. Gambar 3 menunjukkan dampaknya, dengan menggunakan contoh perangkat semikonduktor 5kV. Dalam kasus silikon, perancang semikonduktor terpaksa menggunakan zona aktif yang relatif tebal karena medan kerusakan internal sedang. Selain itu, hanya sedikit dopan yang dapat dimasukkan ke dalam area aktif, sehingga menghasilkan resistansi seri yang tinggi (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1).
Gambar 3: SiC memungkinkan zona aktif semikonduktor yang lebih tipis. (Sumber: Teknologi Infineon)
Dengan bidang kerusakan 10 kali lebih tinggi di SiC, zona aktif dapat dibuat lebih tipis. Pada saat yang sama, lebih banyak pembawa bebas dapat digabungkan, dan dengan demikian, konduktivitas yang jauh lebih tinggi dapat dicapai. Dapat dikatakan bahwa dalam kasus silikon karbida, transisi antara perangkat unipolar switching cepat seperti MOSFET atau dioda Schottky, dan struktur bipolar yang lebih lambat seperti IGBT dan dioda pn, kini telah bergeser ke tegangan pemblokiran yang jauh lebih tinggi (Gambar 4).
Gambar 4: SiC menawarkan tegangan pemblokiran yang lebih tinggi daripada silikon tradisional. (Sumber: Infineon Technologies)
Atau sebaliknya: apa yang mungkin dengan silikon dalam kisaran tegangan rendah sekitar 50V adalah dengan SiC yang layak untuk perangkat 1200V.
Kesimpulan
Kemajuan dalam teknologi WBG dan silikon sifat material unggul karbida memungkinkan perangkat ini untuk beroperasi dengan switching yang lebih cepat, kerugian switching yang rendah, dan zona aktif yang lebih tipis, menghasilkan desain dengan peningkatan efisiensi, frekuensi switching yang lebih tinggi, dan penghematan ruang yang lebih baik. Akibatnya, MOSFET SiC menjadi pilihan yang lebih disukai daripada silikon tradisional untuk aplikasi konversi daya.
Untuk informasi lebih lanjut kunjungi: www.mouser.com
Waktu ELE
-
Waktu ELEhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsKit Desain Baru Membuka Pintu Ke Chip Generasi Berikutnya
-
Waktu ELEhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsStasiun Pengisian Daya dapat Menggabungkan Produksi Hidrogen dan Penyimpanan Energi
-
Waktu ELEhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInfineon Mendukung Pengembangan Ekosistem dalam Pertanian Hijau
-
Waktu ELEhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsPerangkat Lipat Samsung Galaxy Z Terbaru, Keluar Sekarang