Os transistores de carboneto de silício são cada vez mais usados emVoltagem conversores de energia, pois podem atender aos rigorosos requisitos relativos a tamanho, peso e/ou eficiência dessas aplicações. Mas por que isso é tecnologia tão fascinante para os engenheiros? O blog fornecerá alguns insights.
As excelentes propriedades do material do carboneto de silício (SiC) permitem o design de dispositivos unipolares de comutação rápida em vez de portas isoladas bipolares Transistor (IGBT) comuta. Assim, soluções que só eram viáveis no mundo da baixa tensão com tensões de 600V e inferiores são agora possíveis também em tensões mais altas. Os resultados são maior eficiência, frequências de comutação mais altas, menor dissipação de calor e economia de espaço – benefícios que, por sua vez, também reduzem o custo geral do sistema.
A Infineon Technologies identificou esse potencial há quase 30 anos e estabeleceu uma equipe de especialistas em 1992 para desenvolver diodos e transistores de SiC para aplicações industriais de alta potência. Aqui está uma lista curta e incompleta dos marcos alcançados desde então:
- A primeira introdução mundial de diodos Schottky baseados em SiC em 2001
- Os primeiros módulos de energia contendo dispositivos SiC em 2006
- O lançamento da atual quinta geração de diodos de SiC
- A mudança completa para a tecnologia de wafer de 150 mm na Villach Innovation Factory em conexão com a estreia do inovador Trench CoolSiC™ mosfet em 2017
Óxido metálico-Semicondutores transistores de efeito de campo (mosfet) têm sido comumente aceitos como o conceito de escolha quando se visa dispositivos de SiC confiáveis. Inicialmente, o efeito de campo de junção Transistor As estruturas (JFET) pareciam a solução definitiva para combinar desempenho e confiabilidade em um transistor SiC. No entanto, com a agora estabelecida tecnologia de wafer de 150 mm, os SiC MOSFETs baseados em valas tornaram-se viáveis. Dessa forma, o dilema das estruturas de semicondutores de óxido metálico duplamente difundido (DMOS) de ter desempenho ou alta confiabilidade pode ser resolvido.
Dispositivos de potência baseados em bandgap amplo - como diodos e transistores SiC ou transistores de alta mobilidade de elétrons de nitreto de gálio (GaN HEMTs) - são hoje em dia elementos comuns na biblioteca de projetistas de eletrônicos de potência. Mas por que? O que há de tão fascinante no carboneto de silício em comparação com o silício tradicional? O que torna os componentes de SiC tão atraentes para engenheiros de projeto que eles os usam com tanta frequência em seus projetos, apesar de seus custos mais elevados em comparação com dispositivos de alta tensão de silício? Vejamos alguns motivos.
Baixas perdas e um campo de alta decomposição são essenciais
Em sistemas de conversão de energia, os engenheiros de projeto se esforçam continuamente para reduzir as perdas de energia durante a conversão. Os sistemas modernos são baseados em tecnologias nas quais os transistores de estado sólido são LIGADOS e DESLIGADOS em combinação com elementos passivos. Para as perdas relacionadas aos transistores utilizados, vários aspectos são relevantes.
- Primeiro, os engenheiros de projeto devem considerar as perdas na fase de condução. Nos MOSFETs, eles são definidos por uma resistência clássica. Em IGBTs, é um determinador de perda de condução fixa na forma de uma tensão de joelho (Vce_sat) e, adicionalmente, uma resistência diferencial da característica de saída. As perdas na fase de bloqueio geralmente podem ser desprezadas.
- Em segundo lugar, os engenheiros de projeto devem considerar que há sempre uma fase de transição entre o estado LIGADO e DESLIGADO durante a comutação (Figura 1) As perdas relacionadas são definidas principalmente pelas capacitâncias do dispositivo. Em IGBTs, outras contribuições estão em vigor devido à dinâmica da portadora minoritária (pico de ativação, corrente de cauda).
Com base nessas considerações, você esperaria que o dispositivo escolhido fosse sempre um MOSFET. Porém, especialmente para altas tensões, a resistência dos MOSFETs de silício torna-se tão alta que o balanço de perdas totais é inferior ao dos IGBTs, pois estes podem utilizar modulação de carga por portadoras minoritárias para diminuir a resistência no modo de condução.
Figura 1: A figura mostra uma comparação gráfica do processo de comutação e do comportamento estático IV. (Fonte: Infineon Technologies)
A situação muda quando semicondutores de gap largo são considerados. Figura 2 resume as propriedades físicas mais importantes do SiC e GaN versus silício. A correlação direta entre o bandgap e o campo elétrico crítico de um Semicondutor é significativo. Com o SiC, é cerca de 10 vezes maior em comparação com o silício.
Figura 2: A imagem destaca propriedades físicas críticas de SiC e GaN versus silício. (Fonte: Infineon Technologies)
Com esse recurso, o design dos componentes de alta tensão é diferente. Figura 3 mostra o impacto, usando o exemplo de um dispositivo semicondutor de 5kV. No caso do silício, os projetistas de semicondutores são forçados a usar uma zona ativa relativamente espessa devido ao moderado campo de decomposição interno. Além disso, apenas alguns dopantes podem ser incorporados na área ativa, resultando em uma alta resistência em série (conforme indicado em Figura 1).
Figura 3: SiC permite zonas ativas de semicondutores mais finos. (Fonte: Infineon Technologies)
Com campo de decomposição 10 vezes maior em SiC, a zona ativa pode ser muito mais fina. Ao mesmo tempo, muitos mais transportadores livres podem ser incorporados e, assim, uma condutividade substancialmente maior pode ser alcançada. Pode-se dizer que, no caso do carboneto de silício, a transição entre dispositivos unipolares de comutação rápida, como MOSFETs ou diodos Schottky, e as estruturas bipolares mais lentas, como IGBTs e diodos pn, agora mudou para tensões de bloqueio muito mais altas (Figura 4).
Figura 4: SiC oferece tensões de bloqueio mais altas do que o silício tradicional. (Fonte: Infineon Technologies)
Ou vice-versa: o que era possível com o silício na faixa de baixa tensão em torno de 50V é com o SiC viável para aparelhos de 1200V.
Conclusão
Avanços na tecnologia WBG e silício As propriedades superiores do metal duro permitem que esses dispositivos operem com comutação mais rápida, baixas perdas de comutação e uma zona ativa mais fina, resultando em projetos com maior eficiência, frequências de comutação mais altas e maior economia de espaço. Como resultado, os SiC MOSFETs estão se tornando a opção preferida em relação ao silício tradicional para aplicações de conversão de energia.
Para mais informações visite: www.mouser.com
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