Siliciumcarbidetransistors worden steeds vaker gebruikt in hogespanning stroomomvormers, omdat ze kunnen voldoen aan de strenge eisen met betrekking tot grootte, gewicht en/of efficiëntie van deze toepassingen. Maar waarom is dit technologie zo fascinerend voor ingenieurs? De blog zal enkele inzichten bieden.
De uitstekende materiaaleigenschappen van siliciumcarbide (SiC) maken het ontwerp van snel schakelende unipolaire apparaten mogelijk in plaats van bipolaire geïsoleerde poorten Transistor (IGBT) schakelaars. Oplossingen die voorheen alleen haalbaar waren in de laagspanningswereld met spanningen van 600 V en lager, zijn nu ook mogelijk bij hogere spanningen. De resultaten zijn een grotere efficiëntie, hogere schakelfrequenties, minder warmtedissipatie en ruimtebesparing; voordelen die op hun beurt ook de totale systeemkosten verlagen.
Infineon Technologies identificeerde dit potentieel bijna 30 jaar geleden en richtte in 1992 een team van experts op om SiC-diodes en transistors te ontwikkelen voor industriële toepassingen met hoog vermogen. Hier is een korte en onvolledige lijst van mijlpalen die sindsdien zijn bereikt:
- 's Werelds eerste introductie van op SiC gebaseerde Schottky-diodes in 2001
- De eerste voedingsmodules met SiC-apparaten in 2006
- De release van de huidige vijfde generatie SiC-diodes
- De volledige omschakeling naar de 150 mm wafer-technologie in de Villach Innovation Factory in verband met de première van de innovatieve Trench CoolSiC™ mosfet in 2017
Metaaloxide-Halfgeleider veldeffecttransistors (mosfets) zijn algemeen aanvaard als het concept van keuze bij het streven naar betrouwbare SiC-apparaten. Aanvankelijk junction field effect Transistor (JFET)-structuren leken de ultieme oplossing voor het samenvoegen van prestaties en betrouwbaarheid in een SiC-transistor. Met de nu gevestigde 150 mm-wafertechnologie zijn echter op sleuf gebaseerde SiC MOSFET's haalbaar geworden. Op deze manier zou het dilemma van dubbel gediffundeerde metaaloxide halfgeleiders (DMOS) structuren met ofwel prestaties ofwel hoge betrouwbaarheid kunnen worden opgelost.
Op een brede bandgap gebaseerde stroomapparatuur, zoals SiC-diodes en transistors, of galliumnitride-transistors met hoge elektronenmobiliteit (GaN HEMT's) - zijn tegenwoordig veelvoorkomende elementen in de bibliotheek van ontwerpers van vermogenselektronica. Maar waarom? Wat is er zo fascinerend aan siliciumcarbide in tegenstelling tot traditioneel silicium? Wat maakt SiC-componenten zo aantrekkelijk voor ontwerpingenieurs dat ze ze ondanks hun hogere kosten zo vaak in hun ontwerpen gebruiken in vergelijking met hoogspanningsapparaten van silicium? Laten we een paar redenen bekijken.
Lage verliezen en een high-breakdown-veld zijn de sleutel
In stroomconversiesystemen streven ontwerpingenieurs er voortdurend naar om energieverliezen tijdens de conversie te verminderen. Moderne systemen zijn gebaseerd op technologieën waarbij solid-state transistoren worden in- en uitgeschakeld in combinatie met passieve elementen. Voor de verliezen gerelateerd aan de gebruikte transistoren zijn verschillende aspecten relevant.
- Ten eerste moeten ontwerpingenieurs rekening houden met verliezen in de geleidingsfase. In MOSFET's worden deze gedefinieerd door een klassieke weerstand. In IGBT's is het een vaste geleidingsverliesbepaler in de vorm van een kniespanning (Vce_sat) en bovendien een differentiële weerstand van de uitgangskarakteristiek. De verliezen in de blokkeringsfase zijn meestal te verwaarlozen.
- Ten tweede moeten ontwerpingenieurs er rekening mee houden dat er altijd een overgangsfase is tussen de AAN- en UIT-status tijdens het schakelen (Figuur 1). De gerelateerde verliezen worden meestal bepaald door de apparaatcapaciteiten. In IGBT's zijn er verdere bijdragen vanwege de dynamiek van minderheidsdragers (inschakelpiek, staartstroom).
Op basis van deze overwegingen zou je verwachten dat het apparaat van keuze altijd een MOSFET. Vooral bij hoge spanningen wordt de weerstand van silicium-MOSFET's echter zo hoog dat de totale verliesbalans lager is dan die van de IGBT's, omdat deze ladingsmodulatie door minderheidsdraaggolven kunnen gebruiken om de weerstand in de geleidingsmodus te verlagen.
Figuur 1: De figuur toont een grafische vergelijking van het schakelproces en het statische IV-gedrag. (Bron: Infineon Technologies)
De situatie verandert wanneer halfgeleiders met een brede bandgap worden overwogen. Figuur 2 vat de belangrijkste fysische eigenschappen van SiC en GaN versus silicium samen. De directe correlatie tussen de bandafstand en het kritische elektrische veld van a halfgeleider is aanzienlijk. Bij SiC is dit ongeveer 10 maal hoger dan bij silicium.
Figuur 2: De afbeelding benadrukt kritische fysieke eigenschappen van SiC en GaN versus silicium. (Bron: Infineon Technologies)
Met deze functie is het ontwerp van hoogspanningscomponenten anders. Figuur 3 toont de impact, aan de hand van het voorbeeld van een 5kV halfgeleiderapparaat. In het geval van silicium zijn halfgeleiderontwerpers gedwongen een relatief dikke actieve zone te gebruiken vanwege het matige interne doorslagveld. Bovendien kunnen slechts enkele doteermiddelen in het actieve gebied worden opgenomen, wat resulteert in een hoge serieweerstand (zoals aangegeven in Figuur 1).
Figuur 3: SiC zorgt voor dunnere actieve halfgeleiderzones. (Bron: Infineon Technologies)
Met een 10 keer hoger doorslagveld in SiC kan de actieve zone veel dunner worden gemaakt. Tegelijkertijd kunnen veel meer vrije dragers worden opgenomen en kan zo een aanzienlijk hogere geleidbaarheid worden bereikt. Het kan worden gezegd dat in het geval van siliciumcarbide de overgang tussen snel schakelende unipolaire apparaten zoals MOSFET's of Schottky-diodes, en de langzamere bipolaire structuren zoals IGBT's en pn-diodes, nu is verschoven naar veel hogere blokkeerspanningen (Figuur 4).
Figuur 4: SiC biedt hogere blokkeerspanningen dan traditioneel silicium. (Bron: Infineon Technologies)
Of andersom: wat met silicium in het laagspanningsbereik rond de 50V mogelijk was, is met SiC haalbaar voor 1200V-apparaten.
Conclusie
Vooruitgang in WBG-technologie en silicium Dankzij de superieure materiaaleigenschappen van carbide werken deze apparaten met sneller schakelen, lage schakelverliezen en een dunnere actieve zone, wat resulteert in ontwerpen met verhoogde efficiëntie, hogere schakelfrequenties en betere ruimtebesparing. Als gevolg hiervan worden SiC MOSFET's de voorkeursoptie boven traditioneel silicium voor stroomconversietoepassingen.
Voor meer informatie bezoek: www.mouser.com
ELE-tijden
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsNieuwe ontwerpkit opent deur naar volgende generatie chips
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsLaadstations kunnen waterstofproductie en energieopslag combineren
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInfineon ondersteunt ecosysteemontwikkeling in groene landbouw
-
ELE-tijdenhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsNieuwste Samsung Galaxy Z opvouwbare apparaten, nu verkrijgbaar