SiC JFEТ от компании Onsemi

Новые карбидокремниевые SiC JFET-приборы Onsemi обладают улучшенными характеристиками проводимости (пониженное сопротивление канала R_DS(on)) и переключения. Эти транзисторы оптимальны для применения в системах, где требуется управление сильноточной нагрузкой с низкой скоростью коммутации, например, в твердотельных реле и прочих системах коммутации мощности. Их эффективность обусловлена свойствами, присущими карбиду кремния, а также оптимизированной структурой JFET, обеспечивающей низкое сопротивление открытого канала и хорошие тепловые характеристики. Данные транзисторы пригодны для параллельного соединения, позволяющего эффективно управлять большими токами.

Приборы JFET являются нормально включенными, поэтому управление ими вызывает некоторые трудности, что снижает их привлекательность и препятствует широкому распространению на рынке. Для решения этой проблемы специалисты компании предложили новую структуру, в которой JFET- и MOSFET-транзисторы соединены последовательно, особенности этой конструкции рассмотрены ниже.

Структура SiC Cascode JFET

Схема последовательного соединения JFET и низковольтного MOSFET показана на рис. 1, где видно, что выводы управления обоих ключей доступны. В затворе MOSFET установлен супрессор TVS для защиты изолирующего слоя затвора от внешних воздействий.

Рис. 1. Комбинированная структура JFET [2]

Такая комбинация обладает рядом преимуществ, что обусловлено доступностью затворов JFET и низковольтного MOSFET. В частности, это обеспечивает снижение R_DS(on) при перегрузке и упрощает схему управления затвором за счет внешнего каскодного соединения. Кроме того, можно регулировать скорость переключения с помощью сопротивления затвора JFET, а также контролировать температуру кристалла JFET путем измерения падения напряжения в цепи «затвор-исток».

Для управления структурой Combo JFET используются два основных метода: квазикаскодный и непосредственный. Такие способы управления, как правило, применяются в твердотельных реле.

Рис. 2. Схемы управления Combo JFET:
а) квазикаскодная;
б) непосредственная [2]

Для применения этих приборов в импульсном режиме коммутации высоких токов, помимо двух указанных способов управления (рис. 2), разработана и рекомендована схема Clamp DRIVE. Также возможен простейший метод контроля затвора с одним затворным резистором JFET для настройки скорости коммутации, показанный на рис. 3 [2].

Рис. 3. Методы управления комбинированной структурой Combo JFET
в импульсных режимах: а) постоянный резистор в затворе JFET;
б) изменяемый резистор RG (ClampDRIVE)

Основные преимущества SiC относительно Si-приборов

Эквивалентная схема каскодной структуры SiC Cascode JFET показана на рис. 4. Приборы SiC JFET имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми ключами. Прежде всего, карбид кремния — это материал с широкой запрещенной зоной, что обеспечивает более высокое напряжение пробоя и возможность изготавливать тонкие чипы с лучшей блокирующей способностью, чем у Si.

Рис. 4. Эквивалентная схема каскодной структуры SiC Cascode JFET [4]

Кроме того:

• Для данного класса напряжения и сопротивления канала SiC-приборы обеспечивают более высокие рабочие частоты, что позволяет уменьшить размер пассивных компонентов, снизить общие размеры и стоимость устройства.
• SiC-приборы с большими классами напряжения (1200 В и выше) способны переключаться на более высокой частоте с меньшими потерями мощности. Кремниевых приборов таких классов напряжения с аналогичными возможностями практически не существует.
• В любом определенном корпусе SiC-ключи имеют меньшее сопротивление канала R_DS(on) и меньшие потери переключения по сравнению с Si.
• В системе такой же конструкции SiC-приборы обеспечивают более высокую эффективность при улучшенных тепловых характеристиках и более высокой мощности, чем Si.

Указанные преимущества поддерживаются и компонентами серии Elite SiC cascode JFET — новыми, более мощными приборами, оптимизированными для различных областей применения. Архитектура SiC cascode JFET позволяет использовать стандартные устройства управления кремниевыми (Si) затворами. Это упрощает переход от Si- к SiC-транзисторам в существующих системах, что обеспечивает большую гибкость проектирования. Новые ключи могут работать с различными типами драйверов, включая стандартные устройства управления IGBT, Si SJ MOSFET и SiC MOSFET.

Рассмотрим графики из технических спецификаций новых приборов и проанализируем их применяемость в типовых приложениях, а также оценим возможность замещения других ключей, таких как Si IGBT и Si MOSFET. Анализ проведем на примере транзистора UJ4C075018K4S с U_ds = 750 В; I_d = 81 A в корпусе TO-247–4, который по совокупности основных параметров можно потенциально применять в составе импульсного источника питания (ИИП), работающего от однофазной сети.

Обратим внимание на параметр «Gate-source voltage» (напряжение управления) в таблице на рис. 5, показывающий, что прибор допускает работу при достаточно низких отрицательных значениях напряжения на затворе. Уровень сигнала выключения –20 В (типовой для Si) в отношении обычных SiC-приборов может быть критичным и влиять на надежность работы силового ключа.

Рис. 5. Таблица (скриншот) максимально допустимых параметров из технической спецификации [5]

Рассмотрим выходные характеристики прибора (рис. 6). Графики показывают, что пороговое напряжение на затворе V_GS для перехода транзистора в режим насыщения составляет порядка 9 В, а переход в режим отсечки происходит при V_GS около 5 В и ниже. Это подтверждает возможность управления прибором с помощью стандартных драйверов MOSFET/IGBT.

Рис. 6. Семейство выходных характеристик из технической спецификации [5]

В то же время высокое допустимое напряжение на затворе позволяет им работать в уже существующих системах и потенциально использоваться как замена SiC MOSFET. Далее рассмотрим динамические характеристики новых компонентов для более полного понимания возможности использования их вместо «классических» кремниевых приборов.

Строение кристалла и основные особенности

Ключевые отличия структур SiC MOSFET и каскодного SiC JFET Onsemi показаны на рис. 7.

Рис. 7. Сравнение структур SiC MOSFET и SiC Cascode JFET [4]

Использование структуры SiC JFET устраняет необходимость в окисном слое затвора SiC MOSFET, что снижает сопротивление канала и приводит к уменьшению размера чипа. Меньший размер кристаллов SiC JFET является их ключевой особенностью, и его лучше всего продемонстрировать с помощью так называемого показателя качества (FOM) R_dsA, представляющего собой произведение сопротивления канала на активную площадь чипа: R_DS(on) ´ A’. Этот параметр показывает, что SiC JFET имеет меньшее сопротивление во включенном состоянии для определенного размера чипа. Другими словами, для получения заданного сопротивления канала R_DS(on) в приборах SiC JFET используется SiC-кристалл меньшего размера. Лидерство Onsemi в отрасли по показателю FOM R_dsA нашло отражение в продуктах с низким сопротивлением R_DS(on) в относительно небольших стандартных корпусах, таких как TOLL и D2PAK (табл. 1).

Каскодная структура SiC JFET Elite имеет меньшую выходную емкость C_oss по сравнению с SiC MOSFET. Приборы с меньшей выходной емкостью быстрее переключаются при малом токе нагрузки и имеют меньшие времена задержки, обусловленные зарядом C_oss.

Миниатюризация размера кристаллов позволила улучшить и некоторые динамические характеристики. Для их более наглядной оценки выберем несколько приборов, близких по статическим характеристикам — сопротивлению открытого канала и максимальному напряжению сток-исток, и выполненных в одинаковом корпусе ТО-247 с тремя и четырьмя выводами. Проведем сравнение компонентов нескольких производителей (Infineon, Wayon), изготовленных на основе разных полупроводниковых технологий — Si и SiC, с референтным транзистором UJ4C075018K4S.

Из таблицы 2 видно, что рассматриваемый прибор имеет лучшие показатели по входной емкости, заряду затвора и сопротивлению канала. Несколько большее время задержки выключения и выходная емкость обусловлены особенностями структуры. Однако преимущества карбидокремниевых приборов относительно кремниевых очевидны.

Совместимость характеристик управления приборов SiC Cascode JFET с традиционными кремниевыми, а также карбидокремниевыми позволяет заменять их на новые ключи в существующих системах. При правильном подходе к проектированию это может заметно снизить потери на переключение, тепловыделение и, соответственно, повысить КПД всего устройства в целом.

Выводы

Анализ характеристик нового класса приборов от компании ON Semiconductor позволяет выделить две ключевые особенности этого класса приборов.

1. Улучшение показателя R_dsA кристаллов SiC Cascode JFE позволяет использовать более мощные чипы в корпусе меньшего размера. Примером этого является один из рассмотренных приборов — транзистор UG4SC075005L8S в корпусе TOLL, имеющий R_ds(on) 5 мОм при напряжении V_ds 750 В. Такие приборы могут успешно применяться в твердотельных реле большой мощности и других подобных устройствах.
2. Применение комбинированной каскодной структуры чипа позволило улучшить ряд важных характеристик, в частности входной емкости и заряда затвора. Это в свою очередь обеспечивает им хорошую управляемость и совместимость со стандартными драйверами затвора. Новые приборы могут надежно заменить традиционные кремниевые и карбидокремниевые ключи с минимальными изменениями в схемотехнике.