Новые карбид-кремниевые модули на кристаллах второго поколения

№ 5’2019
PDF версия
Компания Mitsubishi Electric, выпускающая широкую линейку мощных SiC-модулей различных классов напряжений, анонсирует выход модулей с SiC-кристаллами второго поколения в классах напряжения 1200 и 1700 В. В сравнении с первым поколением новые модули имеют улучшенную производительность, а также более широкий модельный ряд. В статье представлены и последние достижения, полученные за счет новой технологии совмещения карбид-кремниевых диодов Шоттки с MOSFET-транзистором в классах напряжения 3300 и 6500 В.

Введение

Появление силовых модулей на основе карбида кремния (SiC) — это большой эволюционный скачок в развитии современной силовой электроники. Из-за физических свойств этого п/п-материала преобразователи на основе SiC мощнее и компактнее в сравнении с кремниевыми. Компания Mitsubishi Electric начала разработку первых SiC-чипов еще в 1990 году и почти за три десятилетия выпустила на рынок большое количество карбид-кремниевых модулей в разных классах напряжений, делая основной акцент на высокомощные приборы с кристаллами большой площади. За счет использования этих модулей удалось достичь высочайшей производительности и плотности мощности в таких применениях, как лифты, ИБП, солнечная энергетика, ж/д-тяга.

В статье предложена последняя информация о разработках компании в области карбид-кремниевых п/п. В классах напряжения 1200 и 1700 В представлено второе поколение кристаллов, приведены технические характеристики и сравнение с предыдущим поколением. Для более высоких классов напряжений предложено решение одной из актуальнейших проблем на сегодня — деградации внутреннего диода SiC MOSFET-чипов. В данный момент общеизвестным решением которой является антипараллельное включение диода Шоттки с транзистором. Специфический подход Mitsubishi Electric состоит в том, чтобы совместить диод и транзистор в одном кристалле — это позволяет существенно увеличить плотность мощности. Подробные сведения приведены в заключительной части статьи.

 

SiC-модули на базе шестидюймовых пластин

На рис. 1 изображен модуль, построенный на 4H-SiC MOSFET-кристаллах второго поколения. Новое поколение чипов на 1200 и 1700 В (описание чипов на 600 В можно найти в [1]) производится на шестидюймовых пластинах, имеет оптимизированный эпитаксиальный слой и новую технологию легирования — рис. 2 [2]. Все это увеличивает надежность оксидной изоляции затвора и снижает потери проводимости.

Второе поколение карбид-кремниевого модуля на 1200 В с RTC-защитой от КЗ

Рис 1. Второе поколение карбид-кремниевого модуля на 1200 В с RTC-защитой от КЗ

Схематичное изображение поперечного сечения SiC MOSFET-чипов первого и второго поколений

Рис 2. Схематичное изображение поперечного сечения SiC MOSFET-чипов первого и второго поколений

На рис. 3 показано сопротивление Ron,sp MOSFET-чипов (приведенное для 100 А/см2) первого и второго поколения на 1200 В при комнатной температуре. Соответственно, за счет оптимизации структуры транзистора снижение сопротивления составляет 33% — с 4,5 до 3 мОм·см2.

Типовые выходные характеристики SiC MOSFET на 1200 В первого и второго поколений [2]

Рис. 3. Типовые выходные характеристики SiC MOSFET на 1200 В первого и второго поколений [2]

При уменьшении размеров ячеек область JFET-перехода также сужается, что приводит к увеличению суммарного сопротивления транзистора. Однако за счет особого легирования области JFET компании Mitsubishi Electric удалось решить эту проблему. На рис. 4 показано снижение сопротивления канала благодаря применению новой технологии легирования JFET-перехода. Это позволяет планарной SiC MOSFET-структуре конкурировать с распространенным сегодня траншейным типом транзисторов (рис. 5), одновременно оставаясь более простой в производстве.

Снижение сопротивления канала за счет легирования зоны JFET

Рис. 4. Снижение сопротивления канала за счет легирования зоны JFET

Сравнение сопротивления канала SiC MOSFET-чипов на 1200 В с планарной и траншейной структурой

Рис. 5. Сравнение сопротивления канала SiC MOSFET-чипов на 1200 В с планарной и траншейной структурой

Динамические потери SiC-кристаллов второго поколения были также сокращены за счет уменьшения емкости затвор-сток (емкости Миллера). Это увеличило скорость переключения транзистора и снизило потери на включение и выключение на 23 и 37% соответственно в сравнении с предыдущим поколением (рис. 6).

Производительность полумостового модуля на 300 А, 1700 В, имеющего SiC MOSFET-чипы с обновленной структурой, показана в [3]. Так, при токе 300 А и температуре чипа +150 °C достигается падение напряжения сток-исток VDS(on) в 2,75 В. Энергии включения и выключения при тех же параметрах составляют 12 и 3 мДж соответственно (RG = 1,6 мОм). На сегодня это одни из лучших в мире значений для 300‑А модуля 17‑го класса.

Осциллограммы включения (слева) и выключения (справа) рабочего тока SiC-чипов на 1200 В первого и второго поколений

Рис. 6. Осциллограммы включения (слева) и выключения (справа) рабочего тока SiC-чипов на 1200 В первого и второго поколений

Среди других факторов, ограничивающих возможность снижения сопротивления канала RDC(on), следует отметить и сопутствующее снижение стойкости чипа к короткому замыканию. Вкупе с быстрым нарастанием тока это делает проблемой защиту SiC-модулей от КЗ. В связи с чем компания Mitsubishi Electric разработала систему контроля тока в реальном времени (Real Time Control, RTC) и применила ее еще в первом поколении SiC [4]. Она минимизирует время реакции защиты и не дает току развиться до критической величины в случае КЗ.

Схема защиты от короткого замыкания в реальном времени (RTC)

Рис. 7. Схема защиты от короткого замыкания в реальном времени (RTC)

На рис. 7 и 8 показана функциональная схема системы RTC, а также осциллограммы тока и напряжений в SiC-модуле при возникновении КЗ. При превышении током транзистора пороговой величины система обратной связи снижает напряжение на затворе, ограничивая результирующий ток и, как следствие, мгновенную мощность, выделяемую в чипе. Таким образом, система RTC снимает с разработчика преобразователя такую нетривиальную задачу, как создание драйвера для SiC-модуля с высокоскоростной защитой от КЗ. Успешное применение данной системы в SiC-приборах первого поколения стало основанием для расширения модельного ряда модулей второго поколения с RTC-защитой — данная опция доступна для всех модулей в пределах 300–1200 А (таблица).

Осциллограмма работы системы RTC при возникновении КЗ

Рис. 8. Осциллограмма работы системы RTC при возникновении КЗ

Таблица. Линейка планируемых к выпуску SiC-модулей второго поколения

Модули

1200 В

1700 В

Без RTC

С RTC-защитой

Без RTC

С RTC-защитой

300 А

«4-в-1»

«2-в-1»

400 А

«4-в-1»

600 А

«2-в-1»

800 А

«2-в-1»

1200 А

Примечание. «2‑в‑1» — полумостовой модуль; «4‑в‑1» — H‑мост.

 

Высоковольтные SiC-модули

Говоря о высоковольтных карбид-кремниевых кристаллах, нельзя не затронуть широко обсуждаемую проблему ухудшения свойств полупроводниковой структуры, известную как биполярная деградация (рис. 10). Суть ее в том, что обратный ток, текущий через паразитный диод MOSFET-чипа, может вызывать локальные дефекты в SiC-структуре. Эти дефекты могут стать причиной необратимых изменений характеристик кристалла [5, 6].

Высоковольтные SiC-модули на 3,3 кВ в корпусе LV100 (слева) и 6,5 кВ в корпусе HV100 (справа)

Рис. 9. Высоковольтные SiC-модули на 3,3 кВ в корпусе LV100 (слева) и 6,5 кВ в корпусе HV100 (справа)

Для решения проблемы деградации компания Mitsubishi Electric в своих SiC-модулях использует диод Шоттки, включенный параллельно MOSFET-транзистору. При этом величина прямого падения напряжения в диоде Шоттки ниже, чем у паразитного диода, благодаря чему подавляющая часть обратного тока течет через диод Шоттки. Данный подход хорошо зарекомендовал себя более чем за четыре года эксплуатации SiC-модулей на 3300 В.

Схема возникновения дефектов упаковки в чипе из-за тока через паразитный диод

Рис. 10. Схема возникновения дефектов упаковки в чипе из-за тока через паразитный диод

Основной недостаток данного подхода состоит в том, что минимальная площадь диодного чипа, необходимого для перехвата обратного тока, зависит от класса напряжения прибора. Например, если для класса напряжения 3300 В площадь кристалла диода Шоттки в 1,3 раза больше площади MOSFET-чипа, то для класса напряжения 6500 В разница в площади будет трехкратной. Помимо увеличения стоимости, полезная площадь силового модуля в этом случае используется неэффективно, поэтому Mitsubishi Electric выбрала другой подход для своих высоковольтных SiC-модулей.

Перспективным решением видится диод Шоттки, встроенный непосредственно в кристалл MOSFET-транзистора. Такая технология уже была реализована для транзисторов на 6500 В и описана в [7, 8]. Как показано на рис. 11, новая MOSFET-структура со встроенным диодом Шоттки существенно снижает результирующую площадь чипов и тем самым повышает плотность мощности модуля.

Сравнение MOSFET c отдельным диодом Шоттки с аналогичным чипом со встроенным диодом

Рис. 11. Сравнение MOSFET c отдельным диодом Шоттки с аналогичным чипом со встроенным диодом

Более того, встроенный в чип MOSFET-транзистора диод Шоттки позволяет улучшить динамические параметры модулей, как показано в [9] для 3300 В. На рис. 12 приведены характеристики переключения модулей со встроенным в транзистор диодом Шоттки (A — голубой), отдельными чипами диода Шоттки (B4 — зеленый), а также MOSFET-кристаллом без внешнего диода (C — красный). Из осциллограмм видно, что MOSFET-чипы со встроенным диодом Шоттки имеют наиболее низкие потери, что объясняется самым низким суммарным зарядом затвора Qtot. В результате их динамические потери при включении приблизительно на 20% ниже в сравнении с классическим подходом с отдельным диодом. К тому же совмещение диода Шоттки и транзистора в одном кристалле полностью исключает деградацию структуры транзистора и дает непревзойденную плотность мощности.

Схематичное изображение занимаемой чипами площади

Рис. 12. Схематичное изображение занимаемой чипами площади (а), а также осциллограммы выключения тока для трех вариантов (б)

 

Заключение

Силовые преобразователи на базе карбид-кремниевых модулей — следующий важный этап развития силовой электроники. Благодаря им становятся доступными высочайшая плотность мощности и КПД, недостижимые ранее. Компания Mitsubishi Electric имеет широкую линейку мощных SiC-модулей во всех классах напряжений. В статье представлено второе поколение SiC-модулей в классах напряжения 1200 и 1700 В с улучшенной производительностью, а также RTC-технологией защиты от КЗ. Для классов напряжения 3300 и 6500 В представлена новейшая технология совмещения диода Шоттки и MOSFET-транзистора в одном чипе, позволяющая увеличить плотность мощности SiC-модулей. После выпуска первых SiC-модулей в начале 1990‑х сегодня компания Mitsubishi Electric предлагает широкий модельный ряд в диапазоне напряжений 1200–3300 В. SiC-модули на более высокое напряжение находятся в разработке.

Литература
  1. Ebiike Y., Tanioka T., Furuhashi M., Osawa A., Imaizumi M. Charac-teristics of High-Threshold-Voltage Low-Loss 4H-SiC MOSFETs with Improved MOS Cell Structure // Materials Science Forum. 2016. No. 858.
  2. Tanioka T., Ebiike Y., Oritsuki Y., Imaizumi M., Tarutani M. High Performance 4H-SiC MOSFETs with Optimum Design of Active Cell and Re-Oxidation. PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2018.
  3. Hamano K., Oritsuki Y., Tanioka T., Hanano N., Imaizumi M., Suekawa E., Tarutani M., Miyazaki Y. 2nd generation High performance 4H-SiC MOSFETs with 1.7 kV rating for high power applications. PCIM Europe, Nuremberg, Germany, 2019.
  4. Thal E., Masuda K., Wiesner E. New 800A/1200V Full SiC Module // Bodo’s Power Systems. 2015. April.
  5. Jacobsson H. et al. Properties of Different Stacking Faults that Cause Degr-adation in SiC PiN Diodes. Materials Science Forum. Switzerland, 2003.
  6. Persson P. O. A. et al. Structural defects in electrically degraded 4H-SiC p+/n–/n+ diodes // Applied Physics Letters. 2002. Vol.  80. No. 25.
  7. Hino S., Hatta H., Sadamatsu K., Nagahisa Y., Yamamoto S., Iwamatsu T., Yamamoto Y., Imaizumi M., Nakata S., Yamakawa S. Demonstration of SiC-MOSFET Embedding Schottky Barrier Diode for Inactivation of Parasitic Body Diode // Material Science Forum. 2017. Vol. 897.
  8. Kawahara K., Hino S. et al. 6.5 kV Schottky-Barrier-Diode-Embedded SiC-MOSFET for Compact Full-Unipolar Module. 29th Int. Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs. Sapporo, 2017.
  9. Tominaga T., Hino S., Mitsui Y., Nakashima J., Kawahara K., Tomohisa S., Miura N. Superior Switching Characteristics of SiC-MOSFET Embedding SBD. 31stInternational Symposium on Power Semiconductor Devices & ICs. Shanghai, China, 2019.
  10. Mitsubishi Electric Corporation, Mitsubishi Electric’s New 6.5 kV Full-SiC Power Semiconductor Module Achieves World’s Highest Power Density // Japan: Press Release 2018. No. 3164.
  11. Yamada J., Thal E. SiC Power Modules for a Wide Application range // Bodo’s Power Systems. 2017. September.
  12. Soltau N., Wiesner E., Tsuda R., Hatori K., Uemura H. Impact of Gate Control on the Switching Performance of a 750A/3300V Dual SiC-Module. 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’18 ECCE Europe). Riga, 2018.
  13. Толстопятов В., Солтау Н., Виснер О., Хатори K. Полный карбид-кремниевый MOSFET-модуль на 3,3 кВ: новый класс эффективности тяговых инверторов // Силовая электроника. 2018. № 2.
  14. Толстопятов В., Ямада Д., Таль Э. Повышая скорость: SiC-модули Mitsubishi Electric // Силовая электроника. 2019. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory