Силовая электроника №2'2010

Новые отечественные высоковольтные p-i-n GaAs-диоды

Виктор Войтович

Александр Гордеев

Анатолий Думаневич

В статье сделан обзор новых отечественных высоковольтных p-i-n GaAs-диодов. Поднимаются вопросы введения инноваций в энергетике в России, снижения потерь электроэнергии.

Совсем недавно в Ханты-Мансийске Президент России нажал кнопку запуска в эксплуатацию новейшей ТЭЦ, работающей на сжигаемом попутном газе. Ему отрапортовали — экономика России получит еще 2 тыс. МВт электроэнергии. Замечательно. Однако все скромно умолчали, что из данной заявленной мощности эффективно будет использовано около 600 МВт, остальное окажется бессмысленно сожжено. Почему? Потому что из каждого дошедшего до потребителя киловатта с пользой тратится не более 30-40%. Заметим, что в развитых странах эффективность использования энергетических мощностей близка сегодня к 75%. Таким образом, в России ежегодно около 80 тыс. МВт электроэнергии выбрасывается на ветер, но это же 12 Саяно-Шушенских ГЭС! Транжирится необходимого экономике важнейшего энергетического продукта ни много ни мало — на ~200 млрд руб.!

Снизить потери можно за счет активного применения преобразовательной техники, основу которой составляют мощные полупроводниковые приборы силовой электроники: диоды, тиристоры, полевые транзисторы, биполярные транзисторы с полевым управлением.

Свыше 90% от всего потребляемого в России объема силовых приборов — импорт. На отечественный рынок ввозится продукции данного вида (причем отнюдь не самой лучшей и не самой дешевой) на $200-300 млн. Возникают вопросы: почему отечественная промышленность «спит», почему неэффективно работает «Программа импортозаме-щения»? В России перевелись разработчики? Нет, это вовсе не так. От советской научно-технической школы России достались в наследство очень сильные позиции в двух областях:

  • полупроводниковая СВЧ-техника;
  • электронная компонентная база силовой электроники.

Инновации в энергетике имеют для России исключительное значение. Но, к сожалению, пока можно констатировать, что в 2010 г. ни одно министерство или ведомство не вложило ни рубля в постановку новой НИР или ОКР, направленной на повышение энергоэффективности экономики за счет развития ЭКБ силовой электроники. Неужели не во что вкладывать? Как раз есть во что.

Одно из направлений ЭКБ силовой электроники, которым мы занимаемся, — высоковольтные ультрабыстрые переключающие диоды (ultrafast recovery diodes — UFRED) на основе LPE-технологии выращивания p-i-n-GaAs-структур. Работа ведется в тесном сотрудничестве с эстонскими коллегами из компании AS Clifton, г. Тарту. На базе практической технологии внутреннему и внешним рынкам предлагается серия UFRED высоковольтных диодов АД683А-Д в бескорпусном и корпусном исполнениях, основные статические и динамические параметры кото-рых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры высокотемпературных, сверхбыстродействующих, бескорпусных и корпусных p-i-n GaAs-диодов АД683А-Д

SA, мм Sk, мм P, Вт If, А Ifsm, A Uf, В URRM, В Tj, °С Qrr·, нкул trr1*, нс (200 °С) trr2*, нс (200 °С) CJ, пФ (200 В)

Корпуса

Пластмассовый Металлокерамический
1,4x1,4 0,9x0,9 >3 1 10 1,6 250, 600, 800, 1000, 1200 260 50 20 30 2,4 КТ-89, КТ-90, КТ-92 КТ-47, КТ-93-1
1,7x1,7 1,2x1,2 >10 3 30 1,6-1,8   260 75 25 35 4,0    
2,2x2,2 1,7x1,7 >20 8 80 1,8-2,0 250, 600, 800, 1000, 1200 260 150 30 45 8,0 КТ-28, КТ-89, КТ-90, КТ-92 КТ-28А, КТ-93-1
3,1x3,1 2,6x2,6 >30 15 150 1,8-2,0 250, 600, 800, 1000, 1200 260 350 35 50 18 КТ-28, КТ-90 КТ-28А, КТ-93-1, КТ-97
4,8x4,8 4,3x4,3 >80 40 400 1,8-2,0 250, 600, 800, 1000, 1200 260 1000 40 60 50,0 КТ-28, КТ-90 КТ-28А, КТ-94-1, КТ-96-1, КТ-97
8,0x8,0 7,5x7,5 >100 80 800 1,8-2,0 250, 600, 800, 1000, 1200 260 3000 50 70 150,0 КТ-43 КТ-95-1, КТ-28А-2.01, КТ-43А-01, КТ-97
10,0x10,0 9,5x9,5 >120 100 1000 1,8-2,0 250, 600, 800, 1000, 1200 260 4700 60 80 240,0 КТ-43 КТ-105-1, КТ-106-1
12,5x12,5 12,0x12,0 >150 200 2000 1,8-2,0 250, 600, 800, 1000, 1200 260 7500 100 120 390,0 ТО-247 КТ-105-1, КТ-106-1

Примечание: при di/dt - 200 А/мкс, If, = 0,10/f max, 200 В; trr2 при di/dt - 200А/мкс, при If, = If max; 200 В; = const (-60...+250 °C); = const (-60...+250 °C); = const (-60...+250 °C)

Их типы:

  • АД683А-Д А-5 (бескорпусные);
  • АД683А-Д (Р) в металлопластмассовых корпусах;
  • АД683А-Д (С) в металлостеклянных корпусах;
  • АД683А-Д (К) в металлокерамических корпусах.

Качественная оценка:

  • ультрабыстрое переключение;
  • высокая рабочая температура;
  • высокая радиационная стойкость;
  • минимизированная емкость;
  • малый заряд восстановления;
  • сверхчастоты коммутации;
  • высокая динамическая устойчивость;
  • абсолютная независимость заряда восстановления, времени обратного восстановления и обратного тока восстановления от температуры.

ТУ общего применения разработаны на базе комплекса стандартов «Климат-7» и будут утверждены в апреле 2010 г.

Ниже приводятся характеристики диодов АД683А-Д в сравнении с лучшими мировыми кремниевыми UFRED и SiC-диодами Шоттки.

В табл. 2 приводится общая сравнительная характеристика Si, GaAs и SiC ультрабыстрых высоковольтных диодов на рабочие напряжения 1200 В и токи 8 А.

Таблица 2. Общая сравнительная характеристика

Наименование параметра Si GaAs SiC
Удельная цена (чипа), у.е. 1,0 2,5 10
Приведенное рабочее напряжение Uo6p, В 1200 1200 1200
Время обратного восстановления tggp.Boocr. (Т = 150 °С, 8 А/1200 В), нс >80 ≤35 ≤15
Заряд обратного восстановления Qобp. восст. (Т = 150 °С), нКл >500 ≤150 ≤35
Предельная частота коммутации fT (граничная частота), МГц <0,4 >2,0 <0,5
Удельная емкость, условных пФ 5 1 30
Максимальная рабочая температура перехода Tj, °C 200 300 200

Из приведенных в табл. 2 данных следует, что нет смысла сравнивать АД683А-Д с кремниевыми UFRED даже признанных мировых лидеров (IRF — США; Microsemi — США; TT Electronics-Semelab — Великобритания). По всем компонентам (кроме цены) подавляющее превосходство за АД683А-Д, что дополнительно подтверждается графиками (рис. 1, 2).

Рис. 1. Типовая зависимость тока обратного восстановления от температуры и уровня прямого тока

Рис. 2. Типовая зависимость тока обратного восстановления от температуры кремниевых UFRED HFA08TB60

Здесь уместно отметить, что в западных каталогах значения trr, Qrr и приводятся, как правило, для малых токов и при T = 25 °C. С этими данными надо быть повнимательнее. Рабочие режимы и рабочие температуры никогда не были тепличными, поэтому если для суперскоростного высоковольтного диода какой-нибудь известной мировой фирмы приводится trr≤28 нс при T = 25 °C, то фактически это означает, что trr. на рабочих токах и при рабочей температуре эксплуатации будет 100-120 нс.

GaAs-диоды Шоттки компаний IXYS, TT Electronics-Semelab имеют допустимые токи не более 50 А, напряжения 300 В и не рассматриваются как конкуренты.

С карбид-кремниевыми диодами сравнительная оценка посложнее. Всех подкупают значения trr и Qrr. Да, они великолепны: trr, как правило, не превосходит 15 нс. Но и в этой семье «не без урода».

  1. Диодная структура на высокой частоте — это эквивалентная комплексная L-R-C цепочка, где L—индуктивность высокоомного эпитаксиального n--слоя, R — сопротивление высокоомного слоя, С—барьерная емкость перехода. SiC-диод Шоттки — это «глухой» вариант с начальной емкостью, как правило, в несколько сотен или более одной тысячи пикофарад. Этим параметром и определяется его предельная частота коммутации. На перезарядку этой емкости в цепи затвора транзистора тратится много энергии. Частота: коммутации свыше 500 кГц — «мертвая зона» для SiC-ДШ. Это отражено в статье компании IXYS, впервые опубликованной в 2005 г. на Конференции PCIM в Германии, в каталоге компании Microsemi за 2009 г. и в работах [1, 2].
  2. SiC-диоды Шоттки имеют разумный потолок рабочей температуры Tj≤200 °C. Прямое падение напряжения у SiC-ДШ при T>200 °C возрастает в два раза по сравнению с T = 25 °C. Потери при высоких частотах резко увеличиваются.
  3. Поверхность MOCVD эпитаксиального n-типа слоя 4H-SiC — это не 2-10 атомных слоев после молекулярно-лучевой эпитаксии, а «шведская» дорожка, рельеф с перепадом в десятки-сотни атомов, с дефектами упаковки. На этот слой для создания барьера Шоттки осаждается металл, вектора инжекции носителей из которого в прибарьер-ном слое имеют случайные направления. Возникают приповерхностные сверхмикро-плотные по насыщению носителями слои, а это энергетическая составляющая включения/выключения или коммутации диодного ключа. При коммутационном резонансе dU/ dt и dl/dt, когда рабочая температура сосредоточена в приповерхностном, прибарьерном слое, в нем можно твердо ожидать нестабильности р-n-перехода Шоттки.

Кристаллическая структура АД683А-Д является эпитаксиальной с залеганием р-n-перехода глубоко в объеме. Уникальность характеристик АД683А-Д обеспечивается созданием достаточно толстого г-слоя c проводимостью, близкой к собственной. Данный г-слой играет одну из ключевых ролей в p-i-n-GaAs-структуре:

  • обеспечивает бездефектный пьедестал для эпитаксии высокоомной n-базы;
  • резко снижает барьерную емкость р-n-перехода (рис. 3);
  • на нем сосредоточено до 70% напряженности электрического поля;
  • это своеобразный встроенный тепловой радиатор р-n-перехода.

Рис. 3. Типовая зависимость емкости р-п-перехода от напряжения

Отсюда вытекают очевидные преимущества АД683А-Д перед SiC-диодами Шоттки, не говоря уже о цене. На рис. 4 показана зависимость прямого падения напряжения вольт-амперной характеристики от температуры. Но при необходимости можно «заморозить» зависимость ВАХ от температуры и даже сделать ее отрицательной, как у необлученных кремниевых диодов.

Рис. 4. Зависимость прямого тока от прямого напряжения при ТКоРП = 25 °С

На рис. 5-7 приведены зависимости времени обратного восстановления, заряда обратного восстановления и тока обратного восстановления от dl/dt во всем диапазоне температур.

Рис. 5. Типовая зависимость времени восстановления от di/dt (при I < /„ax)

Рис. 6. Типовая зависимость заряда восстановления от d//dt (при / ≤ /„p.max)

Рис. 7. Зависимость тока обратного восстановления от d//dt (Τ корп = -60^ +250 °С)

На рис. 8, 9 приведены частотные свойства АД683А-Д в «заповедной зоне» для Si и SiC UFRED. Они показывают, что «соловьиная песня» SiC-диодов Шоттки в ВЧ ВИП, в том числе для АФАР, спета. А использовать SiC-диоды Шоттки в мощных преобразователях частотно-регулируемого электропривода — детская фантазия. Эти мощные, «платиновые» с точки зрения стоимости преобразователи оставим рекламодателям.

Рис. 8. Типовая зависимость предельной частоты коммутации от скважности импульса и максимального тока (синусоидальный импульс)

Рис. 9. Типовая зависимость предельной частоты коммутации от d//dt при /=/„p.max, d = 0,5 (прямоугольный импульс)

И, наконец, температурные характеристики. Кроме рис. 1, они продемонстрированы на рис. 10-12. Иллюстрации в комментариях не нуждаются.

Рис. 10. Зависимость времени восстановления от температуры корпуса

Рис. 11. Зависимость заряда восстановления от температуры корпуса

Рис. 12. Зависимость тока обратного восстановления от температуры корпуса

В течение 2010 г. планируется проведение до-полнительных конструктивно-технологических работ по усилению характеристик p-i-n-GaAs-диодных структур:

  • С целью улучшения параметров, точнее, для резкого снижения значений времени обратного восстановления trr, заряда обратного восстановления Qrr, тока обратного восстановления запланированы экспериментальные работы по легированию кристаллической решетки p-i-n-GaAs-структуры высокоэнергетичными электронами и протонами без ухудшения минимальных значений емкости р-n-перехода и прямого падения напряжения.
  • В катодной области p-i-n-структуры планируется создание CVD методом n+-гетерообласти AlGaAs, что позволит снизить значение прямого падения напряжения на 0,2-0,3 В и приблизить его значения к кремниевым диффузионным диодам.

Проведение указанных работ позволит практически приблизить значения trr, Qrr, p-i-n-GaAs-диодных структур к значениям тех же параметров SiC-диодов Шоттки, но при этом сохранится огромное преимущество по емкостным характеристикам. Конечным итогом должно быть перекрытие зоны частотной коммутации p-i-n GaAs-диодов до зоны свойств системы GaN, AlGaN/GaN.

Необходимо отметить также, что технологической подготовкой производства p-i-n-GaAs-кристаллов на основе LPE «сэндвич»-структур в настоящее время активно занимается ОАО «Протон», г. Орел (Меньшов В. В.), а также неподдельный интерес к этой теме проявляет ОАО «Орбита», г. Саранск (Гармашов А. В.). Мы искренне благодарны генеральным директорам указанных предприятий за партнерство.

В заключение следует подчеркнуть, что мировой рынок кремниевых быстродействующих диодов оценивается более чем в $4 млрд, а SiC-диодов Шоттки — в $0,2 млрд. Рынок есть, но предстоит еще много поработать, чтобы добиться признания и занять достойное место на нем. Я

Литература

  1. Полянский И. Новые GaAs-диоды для корректора коэффициента мощности компании IXYS // Силовая электроника. 2005. № 2
  2. Steinhoff S., Reddig M., Knigge S. A new generation of 600V GaAs Schottky diodes for high power density PFC applications. www.ixyspower.com.

Конструктивно-технологические решения исполнения p-i-n GaAs-диодов запатентованы авторами статьи. По поводу поставок диодов АД683А-Д обращаться: E-mail: Gordeev.iskragai@gmail.com

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_2_16.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо