ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในแรงดันไฟฟ้า ตัวแปลงไฟเนื่องจากสามารถตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับขนาด น้ำหนัก และ/หรือประสิทธิภาพของการใช้งานเหล่านี้ แต่ทำไมถึงเป็นเช่นนี้ เทคโนโลยี น่าทึ่งมากสำหรับวิศวกรเหรอ? บล็อกจะให้ข้อมูลเชิงลึกบางอย่าง
คุณสมบัติวัสดุที่โดดเด่นของซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ช่วยให้สามารถออกแบบอุปกรณ์ unipolar แบบสลับเร็วแทน Insulated Gate Bipolar ทรานซิสเตอร์ (IGBT) สวิตช์ ดังนั้น วิธีแก้ปัญหาที่ทำได้เฉพาะในโลกแรงดันต่ำที่มีแรงดันไฟฟ้า 600V และต่ำกว่าก็สามารถทำได้ที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเช่นกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น ความถี่ในการสวิตชิ่งที่สูงขึ้น การกระจายความร้อนน้อยลง และประหยัดพื้นที่ ซึ่งในทางกลับกัน ยังช่วยลดต้นทุนของระบบโดยรวมอีกด้วย
Infineon Technologies ระบุศักยภาพนี้เมื่อเกือบ 30 ปีที่แล้ว และก่อตั้งทีมผู้เชี่ยวชาญขึ้นในปี 1992 เพื่อพัฒนาไดโอดและทรานซิสเตอร์ SiC สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมกำลังสูง ต่อไปนี้คือรายการเหตุการณ์สำคัญที่สั้นและไม่สมบูรณ์ตั้งแต่นั้นมา:
- การแนะนำไดโอด Schottky ที่ใช้ SiC ครั้งแรกของโลกในปี 2001
- โมดูลพลังงานชุดแรกที่มีอุปกรณ์ SiC ในปี 2006
- การเปิดตัวไดโอด SiC รุ่นที่ห้าในปัจจุบัน
- การเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีเวเฟอร์ขนาด 150 มม. อย่างเต็มรูปแบบในโรงงานนวัตกรรม Villach ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปิดตัว Trench CoolSiC ที่เป็นนวัตกรรมใหม่™ MOSFET ใน 2017
โลหะออกไซด์-สารกึ่งตัวนำ ทรานซิสเตอร์สนามผล (มอสเฟต) ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปว่าเป็นแนวคิดในการเลือกเมื่อเล็งไปที่อุปกรณ์ SiC ที่เชื่อถือได้ เริ่มแรก เอฟเฟกต์สนามทางแยก ทรานซิสเตอร์ โครงสร้าง (JFET) ดูเหมือนจะเป็นทางออกที่ดีที่สุดสำหรับการรวมประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือในทรานซิสเตอร์ SiC อย่างไรก็ตาม ด้วยเทคโนโลยีเวเฟอร์ขนาด 150 มม. ที่มีอยู่ในขณะนี้ SiC MOSFET แบบร่องลึกจึงมีความเป็นไปได้ ด้วยวิธีนี้ สภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของโครงสร้างแบบ double-diffused metal-oxide semiconductors (DMOS) ที่มีประสิทธิภาพหรือความน่าเชื่อถือสูงสามารถแก้ไขได้
อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ bandgap แบบกว้าง เช่น ไดโอดและทรานซิสเตอร์ SiC หรือทรานซิสเตอร์ที่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงของแกลเลียมไนไตรด์ (GaN HEMTs) เป็นองค์ประกอบทั่วไปในไลบรารีของนักออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง แต่ทำไม? อะไรที่น่าสนใจเกี่ยวกับซิลิกอนคาร์ไบด์ที่แตกต่างจากซิลิกอนแบบดั้งเดิม? อะไรทำให้ส่วนประกอบ SiC น่าสนใจสำหรับวิศวกรออกแบบที่พวกเขาใช้บ่อยครั้งในการออกแบบแม้จะมีต้นทุนสูงกว่าเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงแบบซิลิคอน ลองดูเหตุผลสองสามข้อ
การสูญเสียต่ำและฟิลด์ที่มีรายละเอียดสูงคือกุญแจสำคัญ
ในระบบการแปลงกำลัง วิศวกรออกแบบพยายามลดการสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่องในระหว่างการแปลง ระบบสมัยใหม่ใช้เทคโนโลยีซึ่งเปิดและปิดทรานซิสเตอร์โซลิดสเตตร่วมกับองค์ประกอบแบบพาสซีฟ สำหรับการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์ที่ใช้นั้นมีความเกี่ยวข้องหลายประการ
- ประการแรก วิศวกรออกแบบต้องคำนึงถึงความสูญเสียในขั้นตอนการดำเนินการ ใน MOSFET สิ่งเหล่านี้ถูกกำหนดโดยความต้านทานแบบคลาสสิก ใน IGBT เป็นตัวกำหนดการสูญเสียการนำไฟฟ้าคงที่ในรูปของแรงดันเข่า (Vce_sat) และความต้านทานส่วนต่างของคุณสมบัติเอาต์พุตเพิ่มเติม การสูญเสียในระยะการปิดกั้นมักจะถูกละเลย
- ประการที่สอง วิศวกรออกแบบควรพิจารณาว่ามีช่วงการเปลี่ยนภาพระหว่างสถานะเปิดและปิดอยู่เสมอในระหว่างการเปลี่ยน (รูป 1). ความสูญเสียที่เกี่ยวข้องถูกกำหนดโดยความจุของอุปกรณ์เป็นส่วนใหญ่ ใน IGBTs การสนับสนุนเพิ่มเติมจะเกิดขึ้นเนื่องจากไดนามิกของผู้ให้บริการส่วนน้อย
จากการพิจารณาเหล่านี้ คุณคงคาดหวังว่าอุปกรณ์ที่เลือกจะเป็น a เสมอ MOSFET. อย่างไรก็ตาม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูง ความต้านทานของซิลิคอน MOSFET จะสูงมากจนยอดการสูญเสียทั้งหมดด้อยกว่า IGBT เนื่องจากสิ่งเหล่านี้สามารถใช้การมอดูเลตประจุโดยพาหะส่วนน้อยเพื่อลดความต้านทานในโหมดการนำไฟฟ้า
รูป 1: รูปภาพแสดงการเปรียบเทียบแบบกราฟิกของกระบวนการสลับและพฤติกรรม IV แบบคงที่ (ที่มา: Infineon Technologies)
สถานการณ์จะเปลี่ยนไปเมื่อพิจารณาถึงสารกึ่งตัวนำแบบ bandgap แบบกว้าง รูป 2 สรุปคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญที่สุดของ SiC และ GaN เทียบกับซิลิคอน ความสัมพันธ์โดยตรงระหว่าง bandgap และสนามไฟฟ้าวิกฤตของ a สารกึ่งตัวนำ มีความสำคัญ ด้วย SiC จะสูงกว่าซิลิคอนประมาณ 10 เท่า
รูป 2: รูปภาพเน้นคุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญของ SiC และ GaN เทียบกับซิลิคอน (ที่มา: Infineon Technologies)
ด้วยคุณสมบัตินี้ การออกแบบส่วนประกอบไฟฟ้าแรงสูงจึงแตกต่างกัน รูป 3 แสดงผลกระทบโดยใช้ตัวอย่างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขนาด 5kV ในกรณีของซิลิกอน นักออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ถูกบังคับให้ใช้โซนแอ็คทีฟที่ค่อนข้างหนาเนื่องจากฟิลด์การพังทลายภายในในระดับปานกลาง นอกจากนี้ยังสามารถรวมสารเจือปนเพียงไม่กี่ตัวในพื้นที่แอ็คทีฟ ทำให้เกิดความต้านทานแบบอนุกรมสูง (ตามที่ระบุไว้ใน รูป 1).
รูป 3: SiC อนุญาตให้มีโซนแอคทีฟเซมิคอนดักเตอร์ที่บางลง (ที่มา: Infineon Technologies)
ด้วยฟิลด์การแยกย่อยที่สูงขึ้น 10 เท่าใน SiC โซนแอคทีฟสามารถทำให้บางลงได้มาก ในเวลาเดียวกัน สามารถรวมตัวพาอิสระได้อีกมากมาย ดังนั้นจึงสามารถบรรลุค่าการนำไฟฟ้าที่สูงขึ้นอย่างมาก อาจกล่าวได้ว่าในกรณีของซิลิกอนคาร์ไบด์ การเปลี่ยนแปลงระหว่างอุปกรณ์ unipolar แบบสลับเร็ว เช่น MOSFET หรือไดโอด Schottky และโครงสร้างไบโพลาร์ที่ช้ากว่า เช่น IGBT และ pn diode ได้เปลี่ยนไปสู่แรงดันไฟฟ้าบล็อกที่สูงขึ้นมาก (รูป 4).
รูป 4: SiC มีแรงดันบล็อกที่สูงกว่าซิลิคอนแบบเดิม (ที่มา: Infineon Technologies)
หรือในทางกลับกัน: สิ่งที่เป็นไปได้ด้วยซิลิกอนในช่วงแรงดันต่ำประมาณ 50V คือ SiC ที่เป็นไปได้สำหรับอุปกรณ์ 1200V
สรุป
ความก้าวหน้าในเทคโนโลยี WBG และ ซิลิคอน คุณสมบัติของวัสดุที่เหนือกว่าของคาร์ไบด์ช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานด้วยการสวิตชิ่งที่เร็วขึ้น การสูญเสียการสวิตชิ่งต่ำ และโซนแอคทีฟที่บางลง ส่งผลให้การออกแบบมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ความถี่สวิตชิ่งสูงขึ้น และประหยัดพื้นที่มากขึ้น เป็นผลให้ SiC MOSFET กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการมากกว่าซิลิกอนแบบดั้งเดิมสำหรับแอพพลิเคชั่นการแปลงพลังงาน
สำหรับการเยี่ยมชมข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่: www.mouser.com
ELE ไทม์ส
-
ELE ไทม์สhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsชุดออกแบบใหม่เปิดประตูสู่ชิปรุ่นต่อไป
-
ELE ไทม์สhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsสถานีชาร์จสามารถรวมการผลิตไฮโดรเจนและการจัดเก็บพลังงานได้
-
ELE ไทม์สhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsInfineon สนับสนุนการพัฒนาระบบนิเวศในการเกษตรสีเขียว
-
ELE ไทม์สhttps://www.eletimes.com/author/eletimes-newsอุปกรณ์พับได้ Samsung Galaxy Z รุ่นล่าสุด วางจำหน่ายแล้ว