Новое поколение преобразовательных систем на основе карбидокремниевых силовых ключей

№ 6’2015
PDF версия
Мировая экономика имеет несомненный выигрыш от технологических инноваций и непрерывного совершенствования высоко интегрированных и надежных преобразовательных систем. Однако недостатком этого процесса являются более высокие энергетические затраты и негативные экологические эффекты, связанные с освоением и выпуском продуктов, потребляющих большее количество энергии.

Для решения указанных проблем прикладываются глобальные усилия, позволяющие сделать новые системы более «зелеными» за счет ужесточения норм и стандартов, а также путем освоения новых рынков и разработки новых приложений. Например, технология, используемая в современных электрических и гибридных транспортных средствах, позволяет успешно конвертировать более 85% электроэнергии в полезную, т. е. она вдвое эффективнее, чем бензин. Однако максимальная цель популяризации электрических и гибридных автомобилей, установленная американским Министерством энергетики (DOE), — повышение эффективности до 93% и плюс еще 1% (т. е. достижение КПД в 94%) к 2020 г. На пике сложных задач, установленных DOE, находятся требования по уменьшению вдвое габаритов электрических тяговых приводов и снижению их стоимости к 2020 г. более чем на 20%.

Кроме того, многие государства приняли жесткие требования к возобновляемым источникам энергии, обязывающие обеспечить непрерывный рост процента электроэнергии, поступающей от экологически чистых источников, таких, например, как энергия Солнца. По данным Союза заинтересованных ученых (UCS), в последние пару лет появилось несколько тенденций в отношении государственных стандартов по возобновляемой энергии. UCS отмечает, что все больше государств «ставят перед собой более высокие цели, а многие страны с существующими энергетическими стандартами уже увеличили свои задачи или ускорили их достижение». В 16 штатах Америки (плюс Колумбия) уже существуют требования к расширению сектора альтернативной энергетики на 20% и более. Кроме того, все большее количество государственных стандартов стало содержать положения, специально ориентированные на поддержку солнечной энергетики и/или малых систем возобновляемых источников энергии.

Таким образом, мы видим три основных движителя развития следующего поколения силовых полу­проводниковых приборов:

  • нормативные правила, требующие повышения эффективности преобразования энергетических систем;
  • запрос рынка на улучшенные, облегченные, малогабаритные, экономически эффективные системы;
  • появление принципиально новых приложений, таких как электрические транспортные средства (EV) и твердотельные трансформаторы (SST).

До недавнего времени кремний был основным материалом, используемым в силовой электронике. Хотя кремниевая технология продолжает совершенствоваться, ей присущи определенные ограничения, не позволяющие удовлетворять растущие требования, предъявляемые к современным системам преобразования энергии.

Исследования, проведенные в прошедшее десятилетие, показали, что широкозонные (WBG) материалы, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), могут служить основой для разработки следующего поколения силовых полупроводниковых приборов. Преимущества WBG-устройств обеспечивают значительное повышение эффективности преобразования, а также ряд новых возможностей, недоступных при использовании кремниевых приборов. Однако только в последнее время мощные полу­проводниковые ключи на основе SiC стали «подспорьем» разработчиков силовых конвертеров.

Для решения задачи необходимо стечение следующих факторов: наличие всех компонентов, потребных для создания полноценных преобразовательных систем (SiC-диоды, транзисторы и модули); широкая логистическая цепь; поставщики, предлагающие конкурентоспособные цены. Поскольку GaN-приборы в коммерческом исполнении начали предлагаться только недавно, разработки на их основе находятся пока в зачаточном состоянии. Данная статья посвящена последним типам SiC-ключей, а именно — MOSFET. Представлены основные характеристики SiC-устройств и описаны преимущества этой революционной технологии для силовых систем.

 

История SiC-приборов

Первые коммерческие SiC-диоды с барьером Шоттки (SBD) появились на рынке более десяти лет назад. С тех пор SiC-SBD начали применяться во многих силовых системах, в первую очередь в корректорах коэффициента мощности (ККМ или PFC) импульсных блоков питания. За ними последовали силовые SiC-ключи — полевые JFET, биполярные BJT и MOSFET. Для приложений, требующих более высоких уровней мощности, чем могут обеспечивать дискретные транзисторы, разрабатываются силовые модули, содержащие несколько дискретных кристаллов в стандартных корпусах. В настоящее время такие компактные модули доступны в виде 100%-ных SiC-компонентов и в гибридных версиях IGBT+SiC-SBD.

В настоящее время SiC-диоды присутствуют в производственной программе многих компаний. Первыми SiC-ключами были JFET и BJT, а более современные SiC-MOSFET появились всего лишь несколько лет назад. Однако технологическая зрелость, высокая производительность и заметное снижение стоимости за счет увеличения объема производства — вот основные причины того, что SiC-MOSFET используются во все большем количестве приложений. SiC-SBD в настоящее время доступны в диапазоне напряжений и токов 600–1700 В/1–60 А соответственно. Таким образом, SiC-приборы могут конкурировать с маломощными кремниевыми MOSFET и IGBT классов 06, 12 и 17.

Разработчикам преобразовательных устройств уже более 10 лет хорошо известны преимущества SiC-диодов Шоттки. Недавно появившиеся SiC MOSFET завоевывают все большую популярность, поскольку эти контролируемые напряжением приборы отличаются от полевых (JFET) и биполярных (BJT) транзисторов простотой управления и отсутствием тока затвора.

Компания ROHM Semiconductor объявила о выпуске двух новых SiC-транзисторов 12 класса SCT2080KE и SCH2080KE, предназначенных для построения экономически эффективных преобразователей с высочайшими значениями КПД. Оба ключа имеют сопротивление открытого канала 80 мОм, причем SCH2080KE является первым промышленным SiC-MOSFET ключом, интегрированным с антипараллельным SiC-диодом Шоттки. Их основные характеристики, преимущества и результаты измерений приведены в данной статье в качестве примера.

Технология SiC позволяет приблизить характеристики MOSFET к параметрам идеального ключа, который:

  • способен проводить большие токи при нулевом падении напряжения в открытом состоянии;
  • способен блокировать высокое напряжение с нулевой утечкой в выключенном состоянии;
  • имеет нулевые потери энергии при коммутации из выключенного состояния во включенное и наоборот.

При использовании кремниевых приборов очень трудно совместить эти диаметрально противоположные характеристики, особенно касающиеся высокого напряжения и тока. Например, при напряжении пробоя 800 В и выше сопротивление канала (и, следовательно, прямое падение напряжения) становится очень высоким из-за расширения дрейфовой области, требуемой для блокировки такого сигнала. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) были разработаны именно для решения этой проблемы.

Модули IGBT имеют низкое сопротивление при высокой блокирующей способности, расплатой за это является ухудшение динамических характеристик. Неосновные носители заряда вводятся в дрейфовую область для уменьшения прямого сопротивления. При выключении транзистора требуется время для их рекомбинации и «рассеяния» из базовой области, что увеличивает потери и время переключения. Краткий анализ свойств полупроводниковых материалов объясняет, почему мощные приборы, выполненные на основе SiC-технологии, могут превзойти их кремниевые аналоги. В таблице приведены основные электрические и тепловые свойства кремния и некоторых широкозонных материалов.

Таблица. Физические характеристики основных широкозонных материалов

Свойства

Si

4H-SiC

GaAs

GaN

Структура кристалла

Алмаз (ромбовидная)

Гексагональная

Сфалерит (цинковая обманка)

Гексагональная

Энергетический зазор EG (eV)

1,12

3,26

1,43

3,5

Подвижность электронов µn (см2/Vs)

1400

900

8500

1250

Подвижность дырок µp (см2/Vs)

600

100

400

200

Пробивная напряженность поля EB (V/см)·106

0,3

3

0,4

3

Теплопроводность (Вт/см·°С)

1,5

4,9

0,5

1,3

Насыщенная скорость дрейфа Vs (см/с)·107

1

2,7

2

2,7

Относительная диэлектрическая постоянная εs

11,8

9,7

12,8

9,5

Контроль p, n

0

0

0

Термический окисел

0

0

Х

Х

 

Динамические характеристики SiC-MOSFET

Благодаря тому что пробивная напряженность поля SiC в десять раз выше, чем у Si, карбидокремниевые приборы способны обеспечивать такую же блокирующую способность при гораздо меньшей области дрейфа. Теоретически SiC-технология позволяет уменьшить сопротивление на единицу площади дрейфового слоя в 300 раз по сравнению с кремнием при том же напряжении пробоя (рис. 1).

Сравнение удельного прямого сопротивления Si-MOSFET и SiC-MOSFET

Рис. 1. Сравнение удельного прямого сопротивления Si-MOSFET и SiC-MOSFET

MOSFET являются устройствами с основными носителями, поэтому у них нет «хвоста» тока при выключении, свойственного IGBT. Следовательно, SiC-MOSFET объединяют все три основные характеристики силового ключа: высокое напряжение пробоя, низкое сопротивление открытого канала и высокую скорость коммутации. Например, SiC-MOSFET фирмы ROHM SCT2080KE имеет рабочее напряжение 1200 В, прямое сопротивление 80 мОм и время включения/выключения менее 70–90 нс, что позволяет использовать его на частотах в диапазоне сотен килогерц. Компания планирует разработку новых транзисторов с сопротивлением, сниженным еще на 50%.

Снижение потерь выключения на 88%: SiC-MOSFET + SiC-SBD против Si-IGBT + FRD

Рис. 2. Снижение потерь выключения на 88%: SiC-MOSFET + SiC-SBD против Si-IGBT + FRD

Меньшие размеры кристаллов SiC-MOSFET означают и меньшие паразитные емкости. Например, величина Ciss и Coss у них на порядок ниже, чем у 900-В Si-MOSFET, а заряд ворота примерно впятеро меньше — 100 нКл. Отличные динамические характеристики SiC-MOSFET подтверждаются кривыми на рис. 2 и 3. По сравнению с кремниевыми IGBT с быстрыми диодами (FRD) модуль ROHM SCH2080KE, сочетающий в себе SiC-MOSFET и SiC-SBD, имеет на 88% меньшие потери выключения и на 34% меньшие потери включения.

Снижение потерь включения на 34%: SiC-MOSFET + SiC-SBD против Si-IGBT + FRD

Рис. 3. Снижение потерь включения на 34%: SiC-MOSFET + SiC-SBD против Si-IGBT + FRD

Лучшие характеристики выключения обусловлены отсутствием хвоста тока у MOSFET. Улучшение процесса включения получено благодаря гораздо более низким потерям восстановления SiC-диодов. Тесты, представленные на рисунках, проводились при Vdd = 400 В, Icc = 20 А и температуре +25 °С, потери восстановления диодов учтены.

Низкие потери переключения обеспечивают следующие преимущества:

  • Снижение уровня потерь эквивалентно уменьшению выделения тепла, что, в свою очередь, означает более простые, дешевые, малогабаритные и/или легкие системы охлаждения и, соответственно, более высокую плотность мощности.
  • Снижение потерь переключения позволяет увеличить рабочую частоту и, соответственно, уменьшить размеры пассивных компонентов (конденсаторы, индуктивности), т. е. снизить стоимость, габариты и вес системы. Уменьшение размеров примерно пропорционально увеличению частоты.
  • Меньшее тепловыделение позволяет снизить перегрев компонентов и повысить их ресурс или допустить использование менее мощных и менее дорогих модулей. На системном уровне это означает, что SiC-ключами с меньшим номинальным током могут заменить более мощные кремниевые приборы, что поясняет рис. 4. Можно видеть, что на частоте переключения 20 кГц полумостовой 100-А SiC-модуль в режиме принудительного воздушного охлаждения может заменить IGBT-модуль с номинальным током 200 А, работающий в режиме жидкостного охлаждения.
Благодаря меньшим динамическим потерям 100-А SiC-модуль может заменить IGBT с номинальным током 200 А

Рис. 4. Благодаря меньшим динамическим потерям 100-А SiC-модуль может заменить IGBT с номинальным током 200 А

Внутренний диод SiC-MOSFET

Внутренний диод SiC-MOSFET имеет отличные характеристики обратного восстановления, сравнимые с дискретными SiC-SBD. На рис. 5 видно, что кривая обратного восстановления внутреннего диода транзистора ROHM SCT2080KE SiC-MOSFET практически идентична кривой для модуля ROHM SCH2080KE, в состав которого входит MOSFET SCT2080 с дискретным оппозитным SiC-SBD. Единственное значимое различие между ними состоит в прямом падении напряжения: величина Vf внутреннего диода составляет 4,6 В, в то время как у дискретного диода Vf = 1,3 В.

Обратное восстановление внутреннего диода SiC-MOSFET в сравнении с дискретным SiC-SBD

Рис. 5. Обратное восстановление внутреннего диода SiC-MOSFET в сравнении с дискретным SiC-SBD

 

Преимущества SiC-MOSFET при высокой температуре

Благодаря большей ширине запрещенной зоны SiC-приборы могут работать при очень высоких температурах. Доступные в настоящее время SiC-SBD и MOSFET рассчитаны только на +150…+175 °C, однако эти ограничения связаны, в основном, с особенностями материалов корпусов. Силовые модули SiC, в которых использованы специальные технологии подключения кристаллов, способны функционировать при температуре +250 °С. Ведутся исследовательские работы, где эти приборы были протестированы при нагреве до +650 °С. Верхний предел рабочей температуры для кремниевых полупроводниковых приборов составляет +300 °С, далее материал перестает вести себя как полупроводник.

Теплопроводность SiC в три раза выше, чем у кремния. Эта особенность позволяет снизить требования к системе охлаждения и упростить процесс отвода тепла от SiC-компонентов. Соответственно, система охлаждения может быть меньше, легче и дешевле. Кроме того, электрические характеристики SiC-MOSFET не зависят от температуры столь же сильно, как у кремниевых MOSFET (это справедливо и для SiC-SBD). Например, сопротивление открытого канала Rds_on транзистора ROHM SCT2080KE составляет 80 мОм при Tj = +25 °С. При Tj = +125 °С Rds_on = 125 мОм, т. е. на 56% больше. У кремниевых MOSFET увеличение при тех же условиях составляет более 200%. Соответственно, снижение максимального тока с ростом температуры у SiC-MOSFET также существенно меньше, чем у Si-MOSFET.

Расширенный температурный диапазон SiC силовых приборов не используется в полной мере из-за ограничений, связанных с современными технологиями корпусирования и низкой рабочей температурой других компонентов, используемых в системе.

 

Надежность SiC-MOSFET

Надежность является одним из наиболее важных факторов при проектировании изделий силовой электроники. Это относится как к преобразователям энергических систем и приводам электрических транспортных средств, так и к изделиям бытовой техники. Поскольку SiC — новый материал, то одним из основных для инженеров — проектировщиков силовых преобразователей является вопрос о надежности SiC-компонентов в сравнении с кремниевыми. Мы рассмотрим три наиболее важных аспекта, связанных с данной проблемой: надежность затворного оксидного слоя, стабильность порогового напряжения затвора (Vth) и стойкость внутреннего диода к режиму обратной проводимости.

Основной причиной отказа MOS-приборов является электрическое перенапряжение на оксидном слое затвора. Соответственно, его качество непосредственно влияет на надежность SiC-MOSFET. Разработка высококачественного оксидного слоя на SiC-подложке являлась достаточно сложной задачей для промышленности до недавнего времени. Основная цель состоит в минимизации плотности дефектов (т. н. поверхностных и объемных ловушек) таким образом, чтобы они не влияли на срок службы и стабильность электрических характеристик. На рис. 6 показаны результаты так называемого CCS TDDB-теста, позволяющего измерить временную стабильность ди­электрической прочности при воздействии постоянного тока. Это стандартный тест, позволяющий оценить качество оксидного слоя затвора MOS. Критерием качества является величина накопленного заряда QBD, полученное значение 15–20 C/см2 эквивалентно показателям Si-MOSFET.

Постоянный ток: измерения временной стабильности диэлектрической прочности

Рис. 6. Постоянный ток: измерения временной стабильности диэлектрической прочности

Еще одним показателем надежности полупроводникового ключа является стабильность порогового напряжения Vth затвора при воздействии положительных и отрицательных смещений. Когда положительное напряжение прикладывается к затвору в течение длительного периода времени, кристаллические дефекты на поверхности оксидного слоя SiC становятся ловушками для электронов, что приводит к увеличению Vth, как показано на рис. 7. Аналогичным образом, при воздействии отрицательного напряжения захват дырок вызывает уменьшение Vth (рис. 8).

Увеличение Vth при длительном воздействии положительного напряжения на затворе

Рис. 7. Увеличение Vth при длительном воздействии положительного напряжения на затворе

Уменьшение Vth при длительном воздействии отрицательного напряжения на затворе

Рис. 8. Уменьшение Vth при длительном воздействии отрицательного напряжения на затворе

Данные испытания проводились на транзисторе ROHM SCT2080KE. Измеренная величина сдвига Vth составляет 0,3 В или несколько меньше. Это сопоставимо с данными, полученными при тестировании кремниевых MOSFET. На практике сдвиг получается гораздо меньше, поскольку транзисторы, как правило, включаются и выключаются с достаточно высокой частотой. Это позволяет захваченным электронам и дыркам «освободиться» между циклами коммутации, соответственно, в ловушках накапливается меньше носителей, вызывающих изменение Vth.

Транзисторы SiC-MOSFET с надежными внутренними диодами могут быть использованы в схемах, в которых антипараллельные диоды участвуют в процессе коммутации. При этом самыми распространенными являются мостовые инверторы. Если не контролировать процесс производства, то возникающие дефекты пластины и эпитаксиального слоя приводят к увеличению сопротивления открытого канала Ron, прямого падения напряжения и тока утечки диода, которые возрастают пропорционально прямому току через диод. Это связано с распространением дефектов структуры, инициируемым энергией рекомбинации. Локальный нагрев увеличивает значение Ron, что приводит к дальнейшему росту числа дефектов.

Фирма ROHM разработала собственную технологию, позволяющую минимизировать плотность дефектов, а также снизить их распространение. Результаты тестов транзистора ROHM SiC-MOSFET SCT2080KE показывают, что внутренний диод надежно работает в режиме обратной проводимости (рис. 9).

Тест на проводимость внутреннего диода

Рис. 9. Тест на проводимость внутреннего диода

 

Управление SiC-MOSFET

Простота применения SiC-MOSFET обусловлена тем фактом, что эти приборы управляются напряжением точно так же, как кремниевые MOSFET- и IGBT-модули. При этом стоит отметить некоторые различия:

  • Диапазон изменения напряжения на затворе Vg составляет от –6 до 22 В, рекомендуемые значения — 0 и 18 В. Это больше, чем 15 В — типовая величина Vg, используемая для IGBT. Напряжение 18 В — это минимум, требуемый для достижения номинального сопротивления канала 80 мОм. Более высокое напряжение на затворе необходимо, чтобы «компенсировать» меньшую подвижность носителей в SiC-структуре. Запирание SiC-транзисторов сигналом ниже –6 В вызывает большой сдвиг порогового напряжения Vth.
  • Поскольку внутренние диоды SiC-MOSFET имеют характеристики обратного восстановления, сравнимые с дискретными SiC-SBD, отпадает необходимость в использовании внешних антипараллельных диодов, за исключением тех случаев, когда это действительно необходимо. Также можно исключить применение последовательного диода для предотвращения протекания тока через внутренний диод, что способствует снижению стоимости системы.
  • Поскольку ROHM SiC-MOSFET имеют очень надежные внутренние диоды, они могут быть использованы как двунаправленные коммутаторы. В этом случае большое прямое напряжение внутреннего диода «шунтируется», поскольку оно определяется падением сигнала на сопротивлении «сток–исток», зависящим от Vgs. Сказанное поясняет рис. 10.
    Зависимость Id от Vds в режиме обратной проводимости

    Рис. 10. Зависимость Id от Vds в режиме обратной проводимости

 

ROHM SiC-MOSFET — планы на будущее

Фирма ROHM Semiconductor предлагает широкую линейку SiC-MOSFET с рабочим напряжением 400–1700 В в диапазоне токов 10–63 А. Приборы доступны в корпусах с выводами для сквозного монтажа, а также в виде кристаллов.

Первые два компонента линейки SiC-MOSFET (SCT2080KE и SCH2080KE) серийно производятся с июля 2013 г. Оба имеют рабочее напряжение 1200 В и сопротивление канала 80 мОм. SCH2080KE содержит кристалл SCT2080KE и дискретный антипараллельный SiC-SBD в одном корпусе. Такое решение экономит место на печатной плате, упрощает ее трассировку и стоит меньше, чем эквивалентные дискретные устройства.

Первый на рынке SiC-MOSFET SCH2080 оптимально подходит для приложений, в которых важны малые габариты и вес, например для электроприводов и DC/DC-преобразователей для аэрокосмической отрасли, а также электро- и гибридомобилей. Другие члены семейства компонентов с напряжением 1200 В — это меньшие по размеру и стоимости MOSFET с Rds-on в диапазоне 160–450 мОм, а также большие кристаллы с высоким номинальным током и Rds-on, в раза меньшим, чем у первых компонентов линейки. Все эти приборы квалифицированы для работы при температурах до +175 °С.

Хотя преимущества SiC-MOSFET, как правило, являются более выраженными на высоком напряжении (1000 В и более), они могут также стать хорошим выбором для преобразовательных систем с напряжением 400–650 В, в которых требуется сочетание высокой скорости переключения и низкого сопротивления канала, что не могут обеспечить кремниевые MOSFET и IGBT.

В ближайшем будущем ROHM планирует выпустить новое поколение Trench MOSFET c вертикальной архитектурой. Ее основное преимущество заключается в крайне низком сопротивлении во включенном состоянии, получаемом благодаря устранению сопротивления JFET-структуры, присущем планарной архитектуре, и более высокой канальной мобильности. Для таких ключей с напряжением 1200 В достигнуто удельное сопротивление менее 1,25 мОм/см2. Меньшие размеры кристаллов означают, что стоимость Trench MOSFET должна быть ниже.

Сочетание этих двух характеристик ключей с высоким номинальным током (60 А и более) обеспечивает высокую экономическую эффективность. Это, в свою очередь, позволяет разрабатывать более экономичные силовые SiC-модули, способные коммутировать очень большой ток, например 600 А…1 кА. В настоящее время производство таких модулей является экономически нецелесообразным, так как для этого требуется значительно большее количество кристаллов.

 

Взгляд в будущее силовой электроники

Хотя последние десятилетия отмечены массой значимых достижений в области технологий, а также расширением производственных возможностей, силовая электроника еще находится на заре эры широкозонных полупроводников. Поскольку развитие промышленности подталкивает производителей к полной реализации всего потенциала карбида кремния, следующее поколение SiC-устройств имеет хорошую возможность поучаствовать в реализации новых крупносерийных проектов, таких как электромобили и твердотельные трансформаторы. Расширение этих секторов рынка будет по-прежнему стимулировать рыночный спрос, действуя в качестве локомотива для будущего развития технологий. Приверженность компании ROHM к дальнейшему совершенствованию SiC-компонентов обещает в ближайшее десятилетие участникам рынка силовой электроники еще больше ярких событий.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.