Повышая скорость: SiC-модули Mitsubishi Electric

SiC-исследования в Японии

Исследования в области полупроводников на основе SiC в Японии координируются организацией под названием NEDO (New Energy and Industrial Development Organization — организация новых типов энергии и промышленного развития). NEDO — крупнейшая японская R&D-организация, координирующая развитие передовых стратегических технологий в стране. Разработка силовых модулей высокого напряжения с высокой плотностью мощности — одно из важнейших направлений, и компания Mitsubishi Electric здесь ключевой игрок [2]. В данной статье приведены несколько выдающихся достижений в области SiC-технологий, поддерживаемых NEDO.

SiC-MOSFET — транзистор со встроенным диодом Шоттки

Концепция встроенного диода Шоттки (SBD — Schottky-Barrier-Diode) в полевой транзистор показана на рис. 1 [3].

Рис. 1. Поперечное сечение SiC-кристаллов:
а) SiC-MOSFET с внешним SiC-диодом;
б) SiC-MOSFET со встроенным SiC-диодом

Из рисунка видно, что SiC-MOSFET-транзистор уже сам по себе имеет в своей структуре паразитный диод. Однако использовать его не рекомендуется, поскольку биполярный ток приводит к увеличению так называемых дефектов упаковки в структуре транзистора, что ведет к нарушению его параметров (росту сопротивления канала). Чтобы избежать этого эффекта, используется отдельный кристалл диода (рис. 1а). Обе структуры, показанные на рис. 1, по сути, работают на одном и том же принципе: пока падение напряжения во внешнем диоде меньше, чем напряжение Vpn в MOSFET, и ток через паразитный диод не протекает.

Основная масса представленных сейчас на рынке SiC-модулей построена по принципу (а). Однако исследования показывают [3], что объединение SBD с MOSFET-транзистором в одном чипе (б) позволяет добиться гораздо большей плотности мощности до появления тока в паразитном диоде, чем в случае с отдельными чипами. Соответственно, активная площадь кристалла, необходимая для формирования пары транзистор-диод, может быть существенно уменьшена с использованием подхода (б).

Рис. 2. Сравнение активной площади 3,3- и 6,5-кВ MOSFET SiC-чипов с отдельным и с интегрированным кристаллом диода

Исследования показывают [4], что суммарная площадь кристалла со встроенным диодом для напряжения 3,3 кВ на 50% ниже, чем в случае с отдельными чипами MOSFET и SBD. Для напряжения 6,5 кВ эта разница еще больше и достигает 75% (рис. 2). Таким образом, можно сделать вывод, что актуальность технологии объединения SiC-чипа диода и транзистора в один кристалл возрастает с повышением напряжения. Однако внедрение структуры SBD в транзистор увеличивает (ухудшает) сопротивление его канала, но это влияние несущественно (рис. 3). Характеристика прямого падения в MOSFET SiC-транзисторе со встроенным SBD показана на рис. 4.

Рис. 3. Суммарное сопротивление SiC-MOSFET-транзисторов на 3,3 и 6,5 кВ, состоящее из сопротивления канала (красный), сопротивления дрейфа (зеленый) и прочих паразитных сопротивлений (синий) при температуре T_j = +150 °C

Рис. 4. Стоковая характеристика образцов на 3,3 и 6,5 кВ при комнатной температуре (КТ) и T_j = +150 °C

Новый FullSiC полумостовой модуль на 6,5 кВ

Благодаря использованию новой технологии совмещения карбид-кремниевых SBD и MOSFET в одном кристалле в январе 2018 г. исследовательским научным центром «Мицубиси Электрик» был анонсирован модуль на 6,5 кВ с самым высоким показателем плотности мощности в мире — 9,3 кВА/см³ (рис. 5). Если сравнить это значение с показателем 5,1 кВА/см³, который имеют аналогичные модули на основе кремния, становится очевиден огромный потенциал по снижению массогабаритных показателей инверторов, который дает карбид кремния.

Рис. 5. Прототип FullSiC-модуля на 6,5 кВ

Все параметры производительности нового полного модуля на основе SiC на 6,5 кВ были измерены в различных режимах [6]. Модуль выполнен в корпусе нового конструктива HV100 [7], а его внутренняя структура была оптимизирована. При проектировании модуля использовалась технология 3D-моделирования электромагнитного поля внутри модуля, благодаря которой удалось достичь максимально равномерного распределения тока между кристаллами, а также низкой паразитной индуктивности шин и низкого излучения ЭМП. В частности, особое внимание было уделено исключению влияния ЭМП на цепи затвора при высоких частотах переключения. На рис. 6 показана симуляция процесса включения тока до и после оптимизации.

Рис. 6. Симуляция процесса включения тока до и после оптимизации внутренней структуры модуля

Измеренная осциллограмма включения тока при температуре T_j = +25 и +175 °C (рис. 7) показывает, что скорости переключения верхнего (P) и нижнего (N) плеча практически равны. Более того, нельзя заметить существенных отличий между переключением при температуре +25 и +175 °C, что говорит об униполярных характеристиках модуля.

Рис. 7. Сравнение осциллограмм включения тока верхнего и нижнего плеча при разных температурах

Суммарная энергия переключения нового SiC-MOSFET-транзистора со встроенным диодом на 6,5 кВ составляет менее 10% от значения классического кремниевого IGBT (рис. 8).

Рис. 8. Сравнение динамических потерь в Si-IGBT (T_j = +150°C),
SiC-MOSFET и SiC-MOSFET со встроенным диодом (T_j = 175°C)

Такое существенное снижение динамических потерь позволяет поднять частоту работы высоковольтных инверторов до нескольких кГц, в то время как классические Si-модули на 6,5 кВ не способны работать на таких частотах даже в резонансном режиме (к примеру, в твердотельных трансформаторах). Итоговое сравнение потерь для трех типов модулей на частотах 0,5; 2; и 10 кГц показано на рис. 9.

Рис. 9. Сравнение общих потерь в модулях по типу Si-IGBT (T_j = 150°C),
SiC-MOSFET и SiC-MOSFET со встроенным диодом (T_j = 175°C)

Улучшение стойкости SiC-MOSFET к короткому замыканию

Одним из существенных недостатков современных MOSFET-транзисторов на основе SiC является их низкая стойкость к току короткого замыкания. Одним из путей повышения допустимого времени КЗ (t_SC) является увеличение сопротивления канала транзистора, однако это приведет также к росту статических потерь в кристалле. Принцип баланса между сопротивлением канала и допустимым временем t_SC показан на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость между сопротивлением канала и допустимым временем КЗ tSC

В публикациях [8] и [9] компания Mitsubishi Electric анонсировала новую запатентованную структуру чипа, находящуюся в настоящий момент в статусе НИОКР, которая позволяет улучшить стойкость чипа к КЗ за счет дополнительной зоны со стороны истока (рис. 11). С ее помощью контролируется последовательное сопротивление истока MOSFET-транзистора, а также снижается максимальный ток, протекающий через кристалл при КЗ.

Рис. 11. Поперечное сечение нового SiC-MOSFET-кристалла [9]

С помощью данного подхода было достигнуто значение допустимого времени КЗ t_SC = 8 мкс (схожее с современными Si-IGBT) без существенного увеличения сопротивления канала транзистора. В пресс-релизе компании Mitsubishi Electric от сентября 2017 года было показано, что данная SiC-структура позволяет достигнуть самой высокой эффективности среди всех 1200-В силовых транзисторов в мире с допустимым временем КЗ более 8 мкс [9]. На рис. 12 показано сравнение параметров сопротивления и времени КЗ новой структуры с классической SiC-MOSFET. Из графика видно, что при значении t_SC = 8 мкс сопротивление канала транзистора может быть снижено на 40%.

Рис. 12. Зависимость сопротивления канала транзистора от допустимого времени КЗ (T_j = +25 °C)

Симуляция переходных процессов SiC-MOSFET-кристалла

При разработке и оптимизации внутренней структуры чипа крайне важна возможность математического моделирования (симуляции) таких параметров, как производные напряжения сток-исток dV_DS/dt, а также тока dI_D/dt при переключении транзистора. В работе [10] была предложена модель поведения SiC-MOSFET-кристалла, учитывающая внутренние паразитные индуктивные и емкостные составляющие. Используя данную модель, стало возможным точное предсказание работы SiC-чипов даже в условиях теплового дисбаланса [11]. На рис. 13 показаны измеренные осциллограммы включения и выключения чипом SiC-MOSFET рабочего тока в сравнении с предсказаниями для модели до и после ее улучшения [12].

Рис. 13. Сравнение осциллограмм переходных процессов в 15-А/1200-В SiC-MOSFET-чипе с предсказанием для модели при включении (а) и выключении (б) рабочего тока

Новый FullSiC полумостовой модуль на 750 А / 3300 В

Впервые данный модуль был представлен компанией Mitsubishi Electric на конференции в рамках выставки PCIM-Европа в 2017 году [13]. В настоящее время модуль коммерчески доступен и находится в массовом производстве, его артикул: FMF750DC-66A. Для минимизации внутренней индуктивности корпуса, а также для хорошего распределения токов между параллельными кристаллами модуль реализован в наиболее современном конструктивном варианте LV100 (рис. 14).

Рис. 14. Внешний вид модуля FMF750DC-66A

По сравнению с классическими HVIGBT-модулями новый прибор предоставляет ряд возможностей по повышению производительности инвертора [14]:

а) увеличение частоты ШИМ при сохранении тех же потерь (той же системы охлаждения), что и у современных Si-IGBT-модулей. Результаты расчетов показывают [14], что с использованием модуля FMF750 DC-66 A при том же выходном токе частота коммутации транзисторов может быть увеличена в 5–7 раз в сравнении с обычными Si-модулями;
б) снижение потерь (рост КПД системы), за счет которого могут быть уменьшены размеры и масса преобразователя либо повышена общая производительность системы (больше время автономной работы, длиннее пройденный путь и т. д.).

В зависимости от требований, предъявляемых при использовании, возможно также применение комбинации факторов (a) и (б) для повышения производительности.

Рис. 15. Осциллограммы напряжения V_DS при выключении рабочего тока при разных сопротивлениях затвора (V_DD =1800 В, I_D =750 А, T_j =25 °C, R_G(off) = 0,9–6,2 Ом)

При создании силовых преобразователей с использованием FullSiC транзисторных модулей неизбежно встает вопрос ЭМП-совместимости из-за их высокой скорости переключения (по сравнению с Si-модулями) и, особенно, высокого dV_DS/dt. В работе [15] показано влияние температуры, а также сопротивления и напряжения затвора на потери при переключении модуля FMF750DC-66A. Осциллограммы выключения транзистора и зависимости параметра dV_DS/dt от сопротивления затвора приведены на рис. 15 и 16 соответственно. Кривая энергии потерь в зависимости от скорости изменения напряжения dV_DS/dt показана на рис. 17. Из приведенных данных видно, что SiC-MOSFET-кристаллы модуля FMF750DC-66A имеют отличный контроль скорости переключения с помощью изменения сопротивления затвора, что позволяет найти оптимальную точку баланса между динамическими потерями в модуле и уровнем ЭМП, излучаемых силовой частью.

Рис. 16. Фронт напряжения V_DS при включении и выключении транзистора при различных сопротивлениях R_G и напряжениях V_GS (V_DD = 1800 В, I_D = 750 А, T_j = 25 °C, R_G(off) = 0,9–6,2 Ом

Рис. 17. Потери при выключении FMF750DC-66A в зависимости от dV_DS/dt

Примеры применения мощных инверторов на основе SiC-модулей в Японии

Во время конференции в рамках международной выставки IPEC’18 (Ниигата, Япония) было подробно рассказано о нескольких успешных применениях SiC-модулей компании Mitsubishi Electric в Японии:

1. Использование гибридных модулей 1200 А / 1700 В в тяговом приводе трамвая с напряжением в звене постоянного тока 600 В позволило снизить размеры инвертора на 40% по сравнению с его Si-IGBT-аналогом [16].
2. После замены IGBT-модулей на FullSiC-модули в модульном многоуровневом преобразователе для высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) были получены такие результаты, как приведенные в работе [17]: снижение потерь на 50%, уменьшение размеров на 21% и массы на 14%.
3. Применение SiC-модулей вместо кремниевых IGBT в фотоэлектрическом солнечном преобразователе (PV) на 750 кВт позволило достичь КПД системы в 99%, что на 0,4% выше, чем с классическими модулями [18].

Вывод

В течение последнего года компания Mitsubishi Electric зафиксировала несколько существенных достижений в области разработки высоковольтных кристаллов на основе карбида кремния. Новый 750-А / 3300-В полумостовой модуль FMF750DC-66A стал коммерчески доступен — он поступил в массовое производство. Благодаря технологии внедрения антипараллельного диода Шоттки в кристалл SiC-MOSFET стало возможным уменьшение суммарной активной площади чипа на 75% для класса устройств с напряжения 6,5 кВ. Благодаря данной технологии с новыми FullSiC-модулями на 6,5 кВ удалось достичь самой высокой удельной плотности мощности в 9,3 кВ^.А/см³. Также несколько выдающихся результатов было достигнуто в области применения SiC-модулей на 1,7 и 3,3 кВ в Японии, наглядно демонстрирующих перспективы использования высоковольтных SiC для повышения скорости.