טרנזיסטורים של סיליקון קרביד משמשים יותר ויותר בחומרים גבוהיםמתח ממירי כוח מכיוון שהם יכולים לעמוד בדרישות המחמירות לגבי גודל, משקל ו/או יעילות של יישומים אלה. אבל למה זה טֶכנוֹלוֹגִיָה כל כך מרתק למהנדסים? הבלוג יספק כמה תובנות.
תכונות החומר הבולטות של סיליקון קרביד (SiC) מאפשרות עיצוב של התקנים חד קוטביים המתחלפים במהירות במקום דו קוטבי של מבודדים. טרנזיסטור (IGBT) מתגים. לפיכך, פתרונות שהיו אפשריים רק בעולם המתח הנמוך עם מתחים של 600V ומטה מתאפשרים כיום גם במתחים גבוהים יותר. התוצאות הן יעילות מוגברת, תדרי מיתוג גבוהים יותר, פחות פיזור חום וחיסכון במקום - יתרונות שבתורם גם מפחיתים את עלות המערכת הכוללת.
אינפיניון טכנולוגיות זיהתה פוטנציאל זה לפני כמעט 30 שנה והקימה צוות מומחים בשנת 1992 לפיתוח דיודות וטרנזיסטורים SiC ליישומים תעשייתיים בעלי הספק גבוה. להלן רשימה קצרה ולא שלמה של אבני דרך שהושגו מאז:
- ההשקה הראשונה בעולם של דיודות שוטקי מבוססות SiC בשנת 2001
- מודולי החשמל הראשונים המכילים התקני SiC בשנת 2006
- שחרורו של הדור החמישי הנוכחי של דיודות SiC
- המעבר המלא לטכנולוגיית הוואפר של 150 מ"מ במפעל החדשנות Villach בקשר להקרנת הבכורה של Trench CoolSiC החדשנית™ MOSFET ב2017
תחמוצת מתכת-סמיקונדקטור טרנזיסטורים עם אפקט שדה (מוספים) התקבלו בדרך כלל כרעיון הבחירה כאשר מכוונים למכשירי SiC אמינים. בתחילה, אפקט שדה צומת טרנזיסטור מבנים (JFET) נראו הפתרון האולטימטיבי למיזוג ביצועים ואמינות בטרנזיסטור SiC. עם זאת, עם טכנולוגיית הפרוסות ה -150 מ"מ שהוקמה כעת, MOSFET מבוססי תעלה הפכו ליישומים. בדרך זו ניתן לפתור את הדילמה של מבנים מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת תחמוצת כפולה (DMOS) של ביצועים או אמינות גבוהה.
התקני כוח רחבים המבוססים על פסי-פס-כגון דיודות וטרנזיסטורים של SiC, או טרנזיסטורים של ניידות אלקטרונים בגליום ניטריד (GaN HEMT)-נמצאים כיום ביסודות נפוצים בספריית מעצבי אלקטרוניקה. אבל למה? מה כל כך מרתק בסיליקון קרביד בניגוד לסיליקון המסורתי? מה הופך את רכיבי SiC לאטרקטיביים כל כך עבור מהנדסי עיצוב עד שהם משתמשים בהם לעתים קרובות כל כך בעיצובים למרות העלויות הגבוהות שלהם בהשוואה למכשירי מתח גבוה מסיליקון? בואו נסתכל על כמה סיבות.
הפסדים נמוכים ושדה פירוט גבוה הם המפתח
במערכות הסבת חשמל, מהנדסי עיצוב שואפים באופן רציף לצמצם הפסדי אנרגיה במהלך ההמרה. מערכות מודרניות מבוססות על טכנולוגיות שבהן טרנזיסטורים במצב מוצק מופעלים ומכוסים בשילוב עם אלמנטים פסיביים. לגבי ההפסדים הקשורים לטרנזיסטורים שבהם נעשה שימוש, מספר היבטים רלוונטיים.
- ראשית, מהנדסי תכנון חייבים לשקול הפסדים בשלב הביצוע. ב- MOSFET אלה מוגדרים על ידי התנגדות קלאסית. ב- IGBT, זהו קובע אובדן הולכה קבוע בצורה של מתח ברך (Vce_sat) ובנוסף התנגדות דיפרנציאלית של מאפיין הפלט. בדרך כלל אפשר להזניח את ההפסדים בשלב החסימה.
- שנית, מהנדסי עיצוב צריכים לשקול כי תמיד קיים שלב מעבר בין מצב ON ו- OFF במהלך ההחלפה (איור 1). ההפסדים הקשורים לכך מוגדרים בעיקר על ידי קיבול המכשיר. ב- IGBT קיימות תרומות נוספות בשל הדינמיקה של נושאי המיעוטים (שיא ההפעלה, זרם הזנב).
בהתבסס על שיקולים אלה, הייתם מצפים שהמכשיר הנבחר הוא תמיד א MOSFET. עם זאת, במיוחד עבור מתחים גבוהים, ההתנגדות של MOSFETs מסיליקון הופכת כל כך גבוהה שמאזן ההפסד הכולל נחות מזה של ה-IGBTs, שכן אלה יכולים להשתמש באפנון מטען על ידי נושאי מיעוט כדי להוריד את ההתנגדות במצב הולכה.
איור 1: האיור מציג השוואה גרפית של תהליך ההחלפה והתנהגות IV הסטטית. (מקור: Infineon Technologies)
המצב משתנה כאשר בוחנים מוליכים למחצה בפס רחב. איור 2 מסכם את המאפיינים הפיזיקליים החשובים ביותר של SiC ו-GaN לעומת סיליקון. המתאם הישיר בין ה-bandgap לשדה החשמלי הקריטי של a סמיקונדקטור הוא משמעותי. עם SiC, הוא גבוה פי 10 בערך בהשוואה לסיליקון.
איור 2: התמונה מדגישה תכונות פיסיקליות קריטיות של SiC ו- GaN לעומת סיליקון. (מקור: Infineon Technologies)
עם תכונה זו, העיצוב של רכיבי מתח גבוה שונה. איור 3 מראה את ההשפעה, באמצעות הדוגמה של התקן מוליך למחצה 5kV. במקרה של סיליקון, מעצבי מוליכים למחצה נאלצים להשתמש באזור פעיל יחסית עבה בגלל תחום ההתמוטטות הפנימי המתון. בנוסף, ניתן לשלב רק כמה חומרים דופנטים באזור הפעיל, ובכך לגרום להתנגדות סדרתית גבוהה (כפי שצוין ב איור 1).
איור 3: SiC מאפשר אזורים פעילים יותר של מוליכים למחצה. (מקור: Infineon Technologies)
עם שדה התפלגות גבוה פי 10 ב- SiC, ניתן להפוך את האזור הפעיל לדק הרבה יותר. במקביל, ניתן לשלב עוד הרבה נשאים חינמיים, וכך ניתן להשיג מוליכות גבוהה בהרבה. ניתן לומר כי במקרה של סיליקון קרביד, המעבר בין התקנים חד קוטביים המתחלפים במהירות כגון MOSFET או דיודות שוטקי, לבין המבנים הדו קוטביים האיטיים יותר כגון IGBT ודיודות pn, עבר כעת למתח חסימה גבוה בהרבה (איור 4).
איור 4: SiC מציעה מתחי חסימה גבוהים יותר מסיליקון מסורתי. (מקור: Infineon Technologies)
או להיפך: מה שהיה אפשרי עם סיליקון בטווח המתח הנמוך סביב 50V הוא עם SiC אפשרי למכשירי 1200V.
סיכום
התקדמות בטכנולוגיית WBG ו סיליקון תכונות החומר המעולות של קרביד מאפשרות להתקנים אלה לפעול עם מיתוג מהיר יותר, הפסדי מיתוג נמוכים ואזור פעיל דק יותר, וכתוצאה מכך עיצובים עם יעילות מוגברת, תדרי מיתוג גבוהים יותר וחסכון טוב יותר במקום. כתוצאה מכך, SiC MOSFET הופכים לאפשרות המועדפת על פני סיליקון מסורתי ליישומי המרת חשמל.
למידע נוסף בקר באתר: www.mouser.com
ELE טיימס
-
ELE טיימסhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsערכת עיצוב חדשה פותחת את הדלת לדור הבא של שבבים
-
ELE טיימסhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsתחנות טעינה יכולות לשלב ייצור מימן ואחסון אנרגיה
-
ELE טיימסhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsאינפיניון תומכת בפיתוח מערכות אקולוגיות בחקלאות ירוקה
-
ELE טיימסhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsהמכשירים האחרונים המתקפלים של סמסונג גלקסי Z, יצאו עכשיו