Транзисторы из карбида кремния все чаще используются внапряжение преобразователи мощности, поскольку они могут соответствовать строгим требованиям к размеру, весу и/или эффективности этих приложений. Но почему это technology так увлекательно для инженеров? Блог предоставит некоторую информацию.
Выдающиеся свойства материала карбида кремния (SiC) позволяют создавать быстродействующие униполярные устройства вместо биполярных устройств с изолированным затвором. Транзистор (IGBT) переключатели. Таким образом, решения, которые были возможны только в мире низкого напряжения с напряжением 600 В и ниже, теперь возможны и при более высоких напряжениях. Результатом является повышение эффективности, более высокая частота переключения, меньшее рассеивание тепла и экономия места — преимущества, которые, в свою очередь, также снижают общую стоимость системы.
Infineon Technologies определила этот потенциал почти 30 лет назад и в 1992 году создала группу экспертов для разработки SiC-диодов и транзисторов для мощных промышленных приложений. Вот краткий и неполный список достижений, достигнутых с тех пор:
- Первое в мире внедрение диодов Шоттки на основе SiC в 2001 году.
- Первые силовые модули на базе SiC в 2006 году.
- Выпуск текущего пятого поколения SiC диодов
- Полный переход на 150-миллиметровую технологию изготовления пластин на фабрике инноваций в Филлахе в связи с премьерой инновационной Trench CoolSiC.™ MOSFET в 2017 году
Металл-оксидПолупроводниковое полевые транзисторы (МОП-транзисторы) были общепринятыми в качестве концепции выбора при разработке надежных устройств на основе SiC. Первоначально эффект поля перехода Транзистор Структуры (JFET) казались окончательным решением для объединения производительности и надежности в SiC-транзисторе. Тем не менее, с установившейся сейчас технологией 150-миллиметровых полупроводниковых транзисторов SiC MOSFET стало возможным. Таким образом, может быть решена дилемма структур металл-оксидных полупроводников (DMOS) с двойной диффузией, имеющих либо производительность, либо высокую надежность.
Силовые устройства с широкой запрещенной зоной, такие как SiC-диоды и транзисторы или транзисторы с высокой подвижностью электронов из нитрида галлия (GaN HEMT), в настоящее время являются обычными элементами в библиотеке разработчиков силовой электроники. Но почему? Что же такого привлекательного в карбиде кремния по сравнению с традиционным кремнием? Что делает компоненты SiC настолько привлекательными для инженеров-конструкторов, что они так часто используют их в своих конструкциях, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с кремниевыми высоковольтными устройствами? Давайте рассмотрим несколько причин.
Ключевыми факторами являются низкие потери и поле с высоким уровнем пробоя
В системах преобразования энергии инженеры-конструкторы постоянно стремятся снизить потери энергии во время преобразования. Современные системы основаны на технологиях, в которых твердотельные транзисторы включаются и выключаются в сочетании с пассивными элементами. Что касается потерь, связанных с используемыми транзисторами, важны несколько аспектов.
- Во-первых, инженеры-проектировщики должны учитывать потери на этапе проведения. В полевых МОП-транзисторах они определяются классическим сопротивлением. В IGBT это фиксированный определитель потерь проводимости в виде коленного напряжения (Вce_sat) и дополнительно дифференциальное сопротивление выходной характеристики. Потери в фазе блокировки обычно можно не учитывать.
- Во-вторых, инженеры-конструкторы должны учитывать, что всегда существует переходная фаза между состоянием ВКЛ и ВЫКЛ во время переключения (Рисунок 1). Соответствующие потери в основном определяются емкостью устройства. В IGBT есть дополнительные вклады из-за динамики неосновных носителей (пик включения, остаточный ток).
Исходя из этих соображений, можно было бы ожидать, что выбранное устройство всегда будет МОП-транзистор. Однако, особенно при высоких напряжениях, сопротивление кремниевых МОП-транзисторов становится настолько высоким, что общий баланс потерь уступает таковому у IGBT, поскольку они могут использовать модуляцию заряда неосновными носителями для снижения сопротивления в режиме проводимости.
Рисунок 1: На рисунке показано графическое сравнение процесса переключения и поведения статической IV. (Источник: Infineon Technologies)
Ситуация меняется при рассмотрении широкозонных полупроводников. Рисунок 2 обобщены наиболее важные физические свойства SiC и GaN по сравнению с кремнием. Прямая корреляция между запрещенной зоной и критическим электрическим полем полупроводник является значительным. У SiC она примерно в 10 раз выше, чем у кремния.
Рисунок 2: Изображение подчеркивает критические физические свойства SiC и GaN по сравнению с кремнием. (Источник: Infineon Technologies)
Благодаря этой особенности конструкция высоковольтных компонентов отличается. Рисунок 3 показывает воздействие на примере полупроводникового прибора 5 кВ. В случае кремния разработчики полупроводников вынуждены использовать относительно толстую активную зону из-за умеренного внутреннего поля пробоя. Кроме того, в активную область можно ввести только несколько легирующих добавок, что приведет к высокому последовательному сопротивлению (как показано на Рисунок 1).
Рисунок 3: SiC позволяет использовать более тонкие полупроводниковые активные зоны. (Источник: Infineon Technologies)
При увеличении поля пробоя в SiC в 10 раз активная зона может быть значительно тоньше. В то же время может быть включено гораздо больше свободных носителей, и, таким образом, может быть достигнута существенно более высокая проводимость. Можно сказать, что в случае карбида кремния переход между униполярными устройствами с быстрой коммутацией, такими как полевые МОП-транзисторы или диоды Шоттки, и более медленными биполярными структурами, такими как IGBT и pn-диоды, теперь сместился к гораздо более высоким блокирующим напряжениям (Рисунок 4).
Рисунок 4: SiC предлагает более высокое напряжение блокировки, чем традиционный кремний. (Источник: Infineon Technologies)
Или наоборот: то, что было возможно с кремнием в диапазоне низкого напряжения около 50 В, возможно с SiC для устройств на 1200 В.
Заключение
Достижения ГВБ в технологиях и кремний Превосходные свойства материала карбида позволяют этим устройствам работать с более быстрым переключением, низкими потерями переключения и более тонкой активной зоной, что приводит к конструкциям с повышенной эффективностью, более высокими частотами переключения и большей экономией места. В результате SiC MOSFET становится предпочтительным вариантом по сравнению с традиционным кремнием для приложений преобразования энергии.
Для получения дополнительной информации посетите: www.mouser.com
ЭЛЕ Таймс
-
ЭЛЕ Таймсhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsНовый дизайн-комплект открывает двери для нового поколения микросхем
-
ЭЛЕ Таймсhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsЗарядные станции могут сочетать производство водорода и хранение энергии
-
ЭЛЕ Таймсhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInfineon поддерживает развитие экосистем в зеленом сельском хозяйстве
-
ЭЛЕ Таймсhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsПоследние складные устройства Samsung Galaxy Z уже доступны