SEMIKUBE Hy SiC: первые шаги в мире карбида кремния

Вопросы надежности

Большое значение при выборе силового ключа имеют вопросы надежности, которым зачастую не уделяется должного внимания. Многие специалисты, например, не заметили произошедшие в 2018 году изменения условий проведения одного из основных тестов на надежность — High Humidity High Temperature Reverse Bias, или H3TRB (ток утечки при высокой температуре и влажности).

Как показано в таблице 1, до 2018 года этот тест проводился при подаче на закрытый ключ (V_GE = 0) напряжения, равного 80% от номинального (V_DS, V_CE), но не превышающего 80 В. В 2018‑м это явно устаревшее условие было отменено, условие “max 80V” сохраняется только для особых случаев. Теперь проверка тока утечки при максимальной температуре и влажности производится при подаче обратного напряжения, на 20% ниже максимально допустимого. Отметим, что данное изменение потребовало кардинальной доработки технологии производства кристаллов IGBT Trench 4 с рабочим напряжением 1700 В. При этом длительность теста для IGBT не изменилась и составляет 1000 ч, однако в отношении SiC время воздействия почти в 6 раз меньше (>168 ч).

Примечания: H3TRB — ток утечки в предельных режимах; РС — активное термоциклирование.

Для карбид-кремниевых модулей до сих пор не определены требования по количеству испытательных термоциклов. Механизм разрушения SiC-приборов при термоциклировании детально не изучен, ясно только, что по этому показателю они пока заметно уступают IGBT. В свете этого несколько странно выглядят рекомендации по применению SiC-ключей в транспортных приводах.

Отметим также крайне негативный опыт, полученный SEMIKRON в ходе тестов карбид-кремниевых модулей при параллельном включении. Как выяснилось, SiC-ключи имеют не только высокую скорость коммутации (di/dt), но и большой (и ненормируемый в спецификациях) разброс по этому параметру. Баланс динамических характеристик очень важен при параллельном включении, его отсутствие не позволяет обеспечить надежную работу силовых модулей в предельных режимах.

Справедливости ради скажем, что ведущие производители силовых полупроводниковых компонентов, такие как ROHM, Wolfspeed, Infineon, работают над улучшением показателей надежности SiC-структур.

SiC-гибрид — альтернатива IGBT

Реальной альтернативой IGBT для применений среднего диапазона мощности являются так называемые гибридные модули (Hybrid SiC), обеспечивающие существенное повышение КПД при умеренном росте стоимости. В данном случае термин «гибрид» означает сочетание кремниевого ключа (чаще всего это быстрый IGBT) и карбид-кремниевого антипараллельного диода. Особенно ярко достоинства гибридов проявляются в том случае, когда характеристики IGBT и SiC FWD хорошо согласованы. Описанные проблемы относятся и к диодам Шоттки, однако их влияние на показатели надежности всего прибора заметно ниже, чем у 100% SiC MOSFET. Благодаря непрерывному совершенствованию SiC-технологии в 2019 году завершены сертификационные испытания и начато серийное производство мощного гибридного модуля SEMIKRON в низкоиндуктивном корпусе SKiM459GD12F4SiC.

В высокочастотных маломощных устройствах (<10 кВт) силовые ключи не являются «ценообразующими», и применение 100% SiC-транзисторов дает очевидные преимущества на системном уровне. Однако это утверждение никак нельзя отнести к диапазону средних и высоких мощностей, где замена кремниевых ключей на полностью карбид-кремниевые редко оправдана технически, но резко увеличивает цену изделия.

В униполярных карбид-кремниевых диодах для переноса заряда используются только основные носители (электроны). В отличие от биполярных кремниевых приборов у SiC-диодов Шоттки отсутствуют неосновные носители, которые рекомбинируют с электронами в режиме выключения. Процесс рекомбинации приводит к так называемому обратному восстановлению, в процессе которого возникает ток I_rr, проходящий через блокируемый диод, когда на нем присутствует практически полное напряжение. В результате генерируются динамические потери E_rr, чья величина может достигать 35% от общего значения. Кроме того, данный процесс создает мощный динамический стресс для p‑n‑перехода, поэтому для повышения устойчивости кремниевых структур к di/dt принимаются специальные технологические меры.

У SiC-диодов отсутствует эффект обратного восстановления и связанные с ним потери мощности, а небольшой обратный ток при запирании SiC Шоттки обусловлен только наличием небольшой паразитной емкости (рис. 1а). Ток восстановления p‑n‑перехода I_rr проходит через оппозитный открывающийся транзистор, что создает дополнительные потери включения (E_on) IGBT. Соответственно, использование SiC-диодов Шоттки в качестве FWD позволяет резко снизить и эту составляющую суммарных потерь мощности. В общем случае уменьшение величины E_on при переходе на карбид-кремниевые диоды достигает 40%, при этом значение E_off остается неизменным.

Рис. 1а. Процесс блокирования Si- и SiC-диода (Err — энергия обратного восстановления)

Униполярные приборы отличаются очень хорошими динамическими характеристиками (табл. 2). По сравнению с аналогичными кремниевыми выпрямителями у SiC-диодов пиковый ток обратного восстановления I_rrm меньше на 50%, заряд восстановления Q_rr — в 14 раз, а энергия выключения E_off — в 16 раз. У Si-Fast-диодов динамические характеристики несколько лучше, чем у Si CAL HD, однако они также существенно уступают карбиду кремния.

Примечание: CAL HD — быстрые диоды SEMIKRON, оптимизированные для применения в качестве антипараллельных IGBT.

Использование комбинации «Fast IGBT + SiC Шоттки» позволяет сократить суммарное значение потерь переключения на высоких частотах до 60% по сравнению с традиционной структурой «IGBT + Si FWD». Компания SEMIKRON широко внедряет технологию Hybrid SiC в своих модулях среднего диапазона мощности. Для обеспечения максимально эффективной работы комбинации Si-SiC в гибридных модулях используется специальный тип быстрых IGBT.

Рис. 1б. Соотношение динамических потерь кремниевых и гибридных ключей (результаты моделирования)

Теоретически применение гибридных силовых ключей может увеличить выходной ток более чем на 50%, а общую эффективность системы — более чем на 2%. Отметим, что температура кристаллов как IGBT, так и SiC Шоттки при этом остается на прежнем уровне, то есть рост частоты коммутации не ухудшает показатели надежности. Еще одним, не менее важным достоинством гибридных модулей является то, что для их управления можно использовать стандартные драйверы IGBT без какой-либо модификации.

SEMIKUBE SL — универсальная инверторная платформа широкого применения

Основные характеристики, особенности конструкции

В начале 2000‑х компания SEMIKRON представила на рынке универсальную инверторную платформу SEMIKUBE, предназначенную для разработки приводов мощностью 100 кВт – 1 МВт [3, 4]. Изделие приобрело огромную популярность благодаря широким функциональным возможностям, масшабируемости, надежности, простоте применения и обслуживания.

Несколько лет назад семейство SEMIKUBE пополнилось новым поколением сборок SEMIKUBE SL (Slim Line), отличающихся меньшими габаритами и способностью работать в жестких условиях применения. Серия SEMIKUBE SL включает четыре типоразмера инверторов с выходным током 200–1500 А (табл. 3). Использование цифрового драйвера с периодом тактовой частоты 20 нс позволяет объединять в параллель полумостовые каскады в пределах одной сборки и таким образом обеспечивать высокую масштабируемость и широкий диапазон мощностей.

Основные конструктивные особенности инверторов SEMIKUBE SL показаны на рис. 2. Изделие спроектировано в соответствии со стандартами IEC 60721-3 и IEC 60529 по климатическим и механическим воздействиям. Впервые серийная сборка SEMIKRON сертифицирована по стойкости к соляному туману, что является одним из требований рынка альтернативной энергетики. Однако благодаря этому ее с успехом можно применять и для разработки приводов морского исполнения. Соответственно, все металлические части и их соединения имеют специальное защитное покрытие, а сам корпус проходит 1000‑ч тест на коррозионную стойкость.

Рис. 2. Основные конструктивные особенности SEMIKUBE SL

В отличие от стандартных сборок предыдущего поколения в инверторе SEMIKUBE SL использована прессованная ламинированная DC-шина. При установке в шкаф с изолированной системой охлаждения изделие имеет класс защиты IP54. Герметизация электронной части обеспечивается за счет специальных эластичных уплотнителей по контуру теплостока и под конденсаторами DC-шины. Как видно на рис. 3, звено постоянного тока находится в контуре охлаждения вместе с радиатором, что позволяет повысить ресурс самих пленочных конденсаторов и всей сборки. Для снижения потребляемой мощности и улучшения отвода тепла применяются вентиляторы с регулируемой частотой вращения.

Рис. 3. SEMIKUBE SL — установка в шкаф

Цифровой драйвер

В «классических» IGBT-драйверах, широко используемых в силовой электронике, через изолирующий трансформатор передаются фронты импульсов, формируемые аналоговыми резонансными цепями. Восстановление нормальной длительности ШИМ-сигнала производится с помощью триггера.

В устройстве управления IGBT SEMIKUBE SL применена цифровая схема передачи данных, принцип работы которой поясняется на рис. 4. В этом случае через трансформатор идет высокочастотный поток нулей и единиц. Сигнал включения и выключения затвора формируется пачками импульсов, проходящих в разных направлениях. Использование дифференциального канала приема-передачи позволяет повысить помехозащищенность системы. Цифровая схема не подвержена старению, ее параметры не зависят от разброса, температурного и временного дрейфа номиналов элементов.

Рис. 4.
a) Передача цифрового сигнала по дифференциальному каналу;
б) «двухступенчатое» управление затвором IGBT для снижения уровня коммутационных перенапряжений

Задающий генератор на программируемой логической матрице (FPGA) формирует ВЧ-импульсы, поступающие на дифференциальный передатчик с буферным мостовым MOSFET-усилителем (рис. 4а). Данные передаются на выходные каскады драйвера через импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку. Последовательность импульсов принимается дифференциальным приемником-компаратором и далее подается на формирователь сигналов управления затворами (рис. 5), также реализованный на FPGA.

Рис. 5. Принцип формирования цифрового дифференциального сигнала

Основная задача драйвера — коммутация токов перезаряда изолированного затвора при нормальной работе и безопасное отключение IGBT в режиме перегрузки и короткого замыкания. Корректно разработанная схема должна обеспечивать низкое значение потерь включения/выключения и минимальный уровень коммутационных выбросов. В драйвере SEMIKUBE SL реализован двухступенчатый алгоритм управления IGBT. Программируемое изменение номиналов резисторов затвора RGon/RGoff, осуществляемое с помощью электронных ключей Sw1–Sw5 (рис. 4б), позволяет уменьшить уровень динамических потерь и снизить уровень перенапряжения при отключении тока перегрузки.

Устройство управления затворами SEMIKUBE SL снабжено диагностическим CAN-интерфейсом.

SEMIKUBE Hy SiC — первая сборка SEMIKRON на основе гибридных модулей

Первым серийным преобразователем, разработанным SEMIKRON с применением технологии карбида кремния, стала сборка SEMIKUBE Hy SiC (рис. 6), выполненная в конструктиве SL20 (табл. 3). Вместо IGBT SKM300GB12E4 (типоразмер 62 мм) в инверторе использованы гибридные модули SKM200GBF4SiC, содержащие чипы Fast IGBT 4 и диоды SiC Шоттки производства компании ROHM.

Рис. 6. Сборка SEMIKUBE Hy SiC

Сравнение частотных характеристик инвертора SEMIKUBE SL20 с модулями IGBT и SiC-гибридами представлено на рис. 7. Как было отмечено в начале статьи, на частотах до 5 кГц кремниевые IGBT генерируют меньшие потери, поэтому инвертор обеспечивает больший выходной ток (зеленая кривая). Однако с ростом частоты преимущество гибридной версии становится все более выраженным: на частоте 15 кГц она имеет вдвое большую мощность, чем инвертор на кремниевых транзисторах. При этом для сохранения приемлемых экономических показателей в сборке SEMIKUBE Hy SiC использованы модули SKM200GBF4SiC с номинальным током 200 А (в стандартном исполнении — SKM300GB12E4 с I_C = 300 A).

Рис. 7. Зависимость максимального выходного тока (фазный, Arms) инвертора SEMIKUBE Hy SiC от частоты

Заключение

Последние достижения технологии карбида кремния привели к заметному уменьшению плотности дефектов, которая, однако, по-прежнему гораздо выше, чем у кремниевых приборов. Наиболее известными «врагами» SiC-структур являются так называемые микротрубки, или микропоры, представляющие собой кристаллографические дефекты структуры. При использовании новейшей технологии Dow Corning плотность микропор поддерживается на уровне менее 1/см².

Степень выхода годных SiC в основном ограничена поверхностными дефектами, образующимися при химическом осаждении из газовой фазы в ходе эпитаксиального процесса (CVD). На сегодня это наиболее значимая проблема, резко снижающая эффективность работы полупроводниковых устройств. Размеры эпитаксиальных дефектов зависят от толщины пленки, а их плотность (1,5–2/см²) характерна для приборов с блокирующим напряжением до 2 кВ.

Экономические расчеты показывают, что для достижения конкуренто­способных показателей в диапазоне средних мощностей стоимость 100% SiC-модулей должна быть снижена в среднем в 2–3 раза. Поэтому пока их применение целесообразно только в высокочастотных, компактных преобразователях, имеющих выходной фильтр. Анализ рынка, произведенный специалистами SEMIKRON, определил целевые показатели, при которых применение 100% SiC и Hybrid SiC оправдано экономически:

• 100% SiC-модули не должны быть дороже кремниевых более чем в три раза;
• гибридные SiC-модули не должны быть дороже кремниевых более чем в 1,5 раза.

К сожалению, пока стоимость серийно выпускаемых карбидокремниевых ключей далека от этих показателей.

Благодаря меньшим потерям проводимости IGBT имеют лучшие нагрузочные характеристики на типовых «приводных» частотах ШИМ (3–7 кГц). Важно понимать, что если для работы изделия не требуется высокая частота коммутации, то применение SiC-ключей не дает никаких технических и тем более экономических преимуществ.

Реальной альтернативой традиционным IGBT/MOSFET-ключам в диапазоне средней мощности являются гибридные модули, использующие преимущества униполярных диодов SiC Шоттки. У них отсутствует заряд обратного восстановления, что позволяет сократить не только динамические потери самого диода, но и потери включения оппозитного IGBT примерно на 60% в режиме жесткой коммутации. Применение гибридов позволяет удвоить частоту коммутации при сохранении величины рассеиваемой мощности, увеличить плотность мощности более чем на 50%, а эффективность — на 1–2%.

Важно отметить, что для управления гибридами используются стандартные драйверы IGBT, при замене IGBT на гибридные модули не требуется доработка конструкции звена постоянного тока.

В таблице 4 приведены основные характеристики силовых модулей, производимых компанией SEMIKRON по технологии SiC Hybrid. Среди гибридных компонентов выделим SKiM459GD12F4SiC2 — трехфазный модуль в низкоиндуктивном корпусе с расширенным температурным диапазоном и SEMiX603GB12E4SiCp — один из самых мощных гибридов 12‑го класса в корпусе SEMiX Press-Fit.