Дискретные устройства и модульные компоненты на основе карбида кремния, производимые компанией Microsemi

Введение

За последние несколько лет в разработке устройств силовой электроники наметилась отчетливая тенденция к применению полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны (карбида кремния, нитрида галлия и др.). Уникальные свойства этих материалов, в том числе большие коэффициенты теплопроводности, значительные уровни напряженности электрического поля и т. д., обеспечивают создание на их основе приборов с рекордными энергетическими показателями. Одним из наиболее перспективных и распространенных материалов является карбид кремния, широко использующийся для улучшения таких рабочих характеристик дискретных устройств и модульных конструкций, как быстродействие, предельные коммутируемые токи и напряжения, статические и динамические потери. По прогнозам рыночных аналитиков компании Yole Developpement, ежегодный рост производства силовых полупроводников на основе карбида кремния в период с 2015 по 2020 г. составит 39%. Активное развитие отрасли показано на примере увеличения количества выпускаемых SiC-диодов Шоттки (рис. 1).

Рис. 1. Прогноз роста продаж SiC-диодов Шоттки до 2020 г.

Основные характеристики SiC, позволяющие добиться существенного улучшения параметров приборов на их основе по сравнению с характеристиками кремния и арсенида галлия, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Сравнение основных характеристик применяемых полупроводниковых материалов

Полевые транзисторы, диоды и другие электронные приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными приборами на базе кремния. Большая ширина запрещенной зоны, обусловленная более высоким барьером Шоттки по сравнению с Si и GaAs, приводит к уменьшению величины тока утечки (менее 70 мкА при 200 °С), который при повышенной температуре кристалла снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера [1]. Критическая напряженность электрического поля пробоя карбида кремния более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs, что приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии и уменьшению общих потерь (рис. 3). В свою очередь, малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока (до 1000 А/см²) и теплопроводностью способствует уменьшению габаритов силовых приборов. Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si примерно в 3 раза), а также при этом упрощаются требования к системе охлаждения [1].

Рис. 3. Ключевые преимущества приборов на основе SiC

В результате применение устройств на основе SiC позволяет радикально уменьшить габариты и массу преобразовательного оборудования, а также увеличить эффективность работы за счет более высоких частот преобразования. На характеристики карбид-кремниевых приборов незначительно влияет изменение температуры эксплуатации вследствие более высокой температуры перехода. Это обеспечивает долговременную надежность полупроводниковых приборов, работающих в тяжелых условиях, а отличная радиационная стойкость делает карбид кремния практически незаменимым материалом для изготовления оборудования военного и космического назначения.

Силовые приборы на основе SiC предназначены преимущественно для устройств средней (1–10 кВт) и большой мощности (10 кВт–1 МВт). Полупроводниковые приборы на основе SiC широко используются в оборудовании для нефте- и газодобычи, в металлургии и машиностроении, в авиационной и космической технике, в электромобилях, в нефтехимическом производстве, в авиарадарах, устройствах СВЧ-связи, в атомной энергетике.

В настоящее время компания Microsemi представлена на рынке силовой электроники следующей SiC-продукцией [2]:

• быстродействующими диодами Шоттки с максимальным обратным напряжением 1700 В;
• MOSFET-устройствами с напряжением пробоя 1200 В;
• силовыми модулями на их основе как полностью из SiC, так и частично, в различных конфигурациях и с широким выбором конструктивно-технологического исполнения.

SiC MOSFET

Новые высоковольтные карбид-кремниевые MOSFET-устройства APT40SM120х и APT50SM120х разработаны на основе запатентованной технологии с целью повышения энергоэффективности ключевых схем (табл. 1). Их отличительная особенность и в то же время основное преимущество — значительно более низкое удельное сопротивление исток-сток в открытом состоянии (RDS(ON)), чем у кремниевых полевых транзисторов. Так, сопротивление открытого канала транзисторов APT40SM120х и APT50SM120х составляет 80 и 50 мОм при температуре +25 °C и увеличивается до 1,5 и 1,8 Ом при максимальных температурах эксплуатации [3]. Компоненты отличаются высоким напряжением пробоя, равным 1200 В. При этом максимальный ток стока достигает 40 и 50 А для APT40SM120х и APT50SM120х соответственно. Малый заряд затвора (не более 130 и 166 нКл), а также его низкое сопротивление минимизируют потери энергии на переключение и обеспечивают отличные динамические характеристики. Это приводит к повышению рабочих частот и, следовательно, к уменьшению габаритов применяемых совместно с транзисторами внешних элементов. Коммутация нагрузки происходит под действием управляющего напряжения затвора VGS, лежащего в пределах –10…+25 В.

Транзисторы, выполненные в герметичных корпусах TO-247 и D3PAK с максимальной рассеиваемой мощностью 273 Вт, обладают низким значением температурного сопротивления кристалл-корпус 0,55 °С/Вт и проходят обязательное тестирование в широком диапазоне температур –55…+175 °C. Выходные характеристики транзистора APT40SM120B при температуре перехода +175 °C приведены на рис. 4.

Рис. 4. Выходные характеристики APT40SM120B

Из других их особенностей следует отметить низкий уровень собственного электромагнитного шума и стойкость к коротким замыканиям. В основном они применяются в импульсных источниках питания с различными топологиями силовых преобразователей напряжения (повышающие, понижающие, обратноходовые, несимметричные мосты), корректорах коэффициента мощности, схемах управления электроприводами, инверторах и т. д.

Помимо предлагаемых моделей, в ближайшее время компания планирует выпускать эти же изделия в высокопрочных корпусах SOT-227. Кроме того, линейка будет расширена за счет выпуска устройств с напряжением пробоя 1700 В, сопротивлением R_DS(ON) не более 25 мОм и максимальным рабочим током до 100 А.

Диоды Шоттки

Как известно, существенный вклад в потери источников электропитания вносит эффект обратного восстановления мощных высоко­вольтных диодов. Это особенно актуально для мостовых инверторов, работающих на индуктивную нагрузку. Большие токи при обратном восстановлении диодов также являются причиной возникновения радио­помех, что требует применения экранирования, увеличивающего массу и габариты устройства. Появление диодов с ультрабыстрым восстановлением, таких как FRED, позволяет лишь частично снизить влияние указанных проблем, оптимальным же решением является использование диодов Шоттки на основе карбида кремния.

У кремниевых FRED-диодов главные физические эффекты связаны с неосновными носителями заряда, которые сильно повышают заряд обратного восстановления (Q_RR), быстро увеличивающийся с ростом температуры, прямого тока и скорости нарастания обратного тока dI/dt (приводит к увеличению потерь на высоких частотах). Например, типовое значение Q_RR при комнатной температуре для таких диодов составляет 160 нКл, а при увеличении температуры перехода до 150 °С — уже 450 нКл. В устройствах на базе кремниевых диодов часто приходится использовать активные или пассивные демпфирующие цепи для ограничения токов обратного восстановления и уменьшения уровня электромагнитных помех, что приводит к усложнению и удорожанию схемы.

Ключевое преимущество карбид-кремниевых диодов Шоттки Microsemi заключается в их исключительных динамических характеристиках, обусловленных отсутствием тока обратного восстановления [4]. Вместо него существует лишь незначительный ток, вызванный зарядом емкости перехода QС и не зависящий от скорости нарастания тока. Для наглядности сравним характеристики выключения SiC-диода Шоттки с кремниевым FRED-диодом при разных температурах эксплуатации (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость тока обратного восстановления от типа полупроводника и температуры эксплуатации

Из рис. 5 видно, что у быстродействующего Si-диода имеется ярко выраженный эффект обратного восстановления, причем амплитуда пикового тока и временной интервал его протекания имеют существенную температурную зависимость. В свою очередь, форма тока, протекающего через SiC-диод Шоттки, при выключении имеет характер переходного процесса, амплитуда которого не зависит от температуры. Отсутствие токов восстановления обеспечивает практически чистый фронт сигнала. В результате все это приводит к уменьшению прогнозируемых потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники (корректорах коэффициента мощности, приводах электродвигателей и т. д.). Более того, сокращаются помехи, создаваемые работой преобразователя на основе SiC-диодов, что опять-таки позволяет упростить фильтры по питанию и уменьшить их размеры.

Еще одно преимущество SiC-диодов перед традиционными кремниевыми — высокая плотность мощности при очень малых размерах кристалла, получаемая вследствие трехкратного выигрыша по проводимости. Следствием этого является повышение КПД, особенно при малых нагрузках и высоких частотах переключения (более 500 кГц), а также уменьшение габаритов внешних индуктивных компонентов (например, в ККМ дроссель повышающего преобразователя является одним из основных компонентов, определяющих массо-габаритные показатели).

Использование в качестве материала основы карбида кремния с более высоким напряжением пробоя позволило значительно повысить уровни рабочих напряжений. Диоды компании Microsemi серий SCE и SCD с диапазоном максимальных рабочих токов от 10 до 30 А и обратными напряжениями 650, 1200 и 1700 В выпускаются в популярных мало­габаритных корпусах для планарного и сквозного монтажа (табл. 2).

Корпуса с допустимой температурой эксплуатации 175 °С разработаны с использованием пассивации для повышения надежности в условиях повышенной влажности. Компоненты могут успешно применяться в импульсных источниках питания, инверторах, корректорах коэффициента мощности и другом высоконадежном силовом оборудовании различного назначения [5].

Из основных характеристик стоит отметить малый ток утечки (типовое значение 10 мкА), полученный благодаря широкой запрещенной зоне SiC, а также низкое тепловое сопротивление переход-корпус, не превышающее для ряда моделей 0,7 °С/Вт. Падение напряжения имеет положительный температурный коэффициент, что значительно упрощает использование диодов при их параллельном включении, так как в этом случае не требуются согласующие резисторы для выравнивания их токов.

Силовые модули с применением SiC-компонентов

Силовые модули на основе карбида кремния получили свое активное развитие в связи с увеличением мощности силовых устройств и нашли применение в схемах, в которых использование дискретных компонентов было неприемлемо из-за их недостаточной мощности либо сложности реализации самой схемы. Переход к созданию высокоинтегрированных модулей позволяет повысить производительность и за счет максимально плотной компоновки элементов значительно уменьшить габариты конечного устройства, что привело к существенному снижению влияния паразитных элементов на параметры устройства и увеличению эффективности системы в целом [6].

Всю предлагаемую линейку можно разделить на диодные и транзисторные модули. Первая группа состоит из двух отдельных диодов, включаемых как в одном направлении, так и встречно, либо из четырех диодов, образующих выпрямительный мост (табл. 3, 4).

Примечание: * — встроенный датчик температуры с отрицательным температурным коэффициентом.

Все вышесказанное о преимуществах карбид-кремниевых диодов, а именно превосходные рабочие характеристики на повышенных частотах эксплуатации, низкий уровень шума и потерь при переключениях, в полной мере относится и к диодным модулям. Объединение в одном малогабаритном корпусе нескольких элементов позволяет сократить занимаемое ими место на печатной плате. Полученные компоненты идеально подходят для применения в приборах с высокой плотностью монтажа, например в устройствах бесперебойного питания, индукционного нагрева, сварочном оборудовании, высокоскоростных выпрямителях и т. д. Изолированный корпус, непосредственно к которому можно выполнить монтаж радиатора, обладает тепловым сопротивлением переход-корпус примерно 0,8 °С/Вт, напряжение изоляции вывод-корпус составляет 2500 В.

Вторая группа представляет собой транзисторные модули, состоящие либо полностью из SiC-элементов, либо с применением таковых для улучшения ключевых характеристик разрабатываемого устройства. Карбидокремниевые силовые модули для промышленного диапазона температур производства компании Microsemi, выполненные в различных электрических конфигурациях, предлагаются в низкопрофильных корпусах (рис. 6). В большинстве из них используется подложка из нитрида алюминия. Она обеспечивает наличие электрической изоляции схемы модуля от теплоотвода и улучшает теплопередачу к системе охлаждения модуля. При этом некоторые модули содержат интегрированные датчики температуры, позволяющие обеспечить защиту от превышения максимальной температуры эксплуатации. Предельное рабочее напряжение достигает 1700 В. В табл. 4 приведены основные технические характеристики и доступные электрические конфигурации предлагаемых устройств.

Рис. 6. Внешний вид SiC транзисторных модулей компании Microsemi

Главными особенностями изделий компании Microsemi являются высокоскоростная коммутация с низкими потерями, малая входная емкость, незначительные требования к схемам драйверов и минимальная паразитная индуктивность. Все это позволяет создавать высокоэффективные силовые устройства. Выпускаемые устройства применяются в импульсных источниках питания, высоковольтных ККМ и умножителях напряжения, мощных инверторах, преобразователях для солнечных батарей, промышленных электроприводах и в другом силовом оборудовании.

В заключение представим некоторые новинки, произведенные в 2014 году. Прежде всего, стоит отметить MOSFET-модули APTMC170AM60CT1AG и APTMC170AM30CT1AG, выполненные по полумостовой конфигурации, с максимальным напряжением сток-исток 1700 В, рабочим током 40 и 80 А и сопротивлением R_DS(ON) ключевых элементов не более 60 и 30 мОм соответственно. Они изготавливаются в высокопрочном низкопрофильном корпусе SP1 с размерами 51,6×40,8×11,5 мм, предназначенном для сквозного монтажа. Его тепловое сопротивление R_thJC (переход-корпус) не превышает 0,36 °C/Вт [7].

Отличительные особенности и преимущества применения данных модулей:

• очень малая индуктивность рассеяния;
• кельвин-эмиттеры, облегчающие управление;
• встроенный термистор для мониторинга температуры;
• высокая степень интеграции;
• превосходные рабочие характеристики на высоких частотах переключения;
• непосредственный монтаж на теплоотвод (изолированный корпус).

Также интересен модуль APTMC120AM09CT3AG, отличающийся очень низким значением R_DS(ON) (всего 9 мОм) и максимальным показателем тока стока 200 А (при температуре T_C = 80 °C) и 295 А при комнатной. Он доступен для заказа в корпусе SP3F с размерами 73,4×42,5×12 мм и предназначен, прежде всего, для использования в сварочном оборудовании, импульсных источниках питания и драйверах электродвигателей. Встроенный датчик температуры с отрицательным температурным коэффициентом обеспечивает безопасное и длительное функционирование.

Модели APTMC120TAM33CTPAG, APTMC120TAM17CTPAG и APTMC120TAM12CTPAG содержат в своем составе по три полумоста с подсоединенным к каждому ключевому элементу параллельным SiC-диодом. Изготавливаемые на основе SiC MOSFET, они рассчитаны на максимальное напряжение исток-сток 1200 В и ток стока до 150 А [8].

Отличительные особенности данных модулей:

• низкое значение сопротивления во включенном состоянии R_DS(ON) (от 12 до 33 мОм);
• высокая температурная стабильность;
• изолированный корпус, облегчающий установку радиатора;
• встроенный термистор для измерения температуры модуля;
• очень малая индуктивность рассеяния;
• малое тепловое сопротивление кристалл-корпус (0,1 °С/Вт).

Заключение

Повышение производительности и надежности эксплуатации с одновременным уменьшением массо-габаритных показателей — такова причина роста популярности устройств на основе SiC. Преимущества использования приборов на основе карбида кремния очевидны — одной только заменой широко применяемых кремниевых устройств, не затрагивая схему, можно добиться значительного улучшения ключевых показателей, снизить уровень потерь и обеспечить надежное функционирование при повышенных температурах. Отработанные технологии производства компании Microsemi, высокий уровень стандартизации, максимальная гибкость и адаптируемость выпускаемой продукции к различным применениям дают возможность выбора оптимального решения по соотношению цена/производительность.