Транзисторы на карбиде кремния: перспективы развития и снижение себестоимости готового изделия

№ 6’2015
PDF версия
Физические параметры материала SiC значительно превосходят параметры кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs). Так, электрическая прочность SiC в 10 раз выше, удельное сопротивление достаточно низкое, радиационная стойкость высокая, крайне малые обратные токи благодаря относительно большой ширине запрещенной зоны, высокая теплопроводность компонентов на SiC, высокое быстродействие, высокие допустимые рабочие температуры (до +200 °С).

Но ни для кого не секрет, что производство таких транзисторов обходится недешево, что отражается на стоимости конечного компонента. Кристаллы SiC выращивают из газовой фазы или из растворов в расплаве. Наибольшее распространение получил метод сублимации, который заключается в получении кристаллов из газовой фазы в высокотемпературных графитовых тиглях при температуре +2500 °С. Помимо этого, доставляет сложность и травление материала. Получению высококачественного материала препятствуют микропоры, которые образуются во время роста эпитаксиального слоя (рис. 1).

Микропора в карбиде кремния

Рис. 1. Микропора в карбиде кремния

Данный процесс образования микропор имеет прямую связь с величиной вектора Бюргерса и привязан к теории Франка, а именно: вакантные места группируются внутри кристалла, главным образом, около дислокаций или других нарушений решетки, создающих концентрацию напряжений. При известных условиях вакансии скапливаются и самопроизвольно образуют ничтожных размеров полости или поры; например, группирование вакансий в одном слое может породить так называемую сидячую (то есть мало проводимую) дислокацию, которая сама по себе уже представляет устойчивый зародыш микропоры. Эти микропоры и являются существенной проблемой массового применения SiC, к тому же они могут являться причиной выхода компонента из строя.

Существует ряд способов решения данной проблемы, один из которых представлен на рис. 2 [1].

Один из способов борьбы с микропорами

Рис. 2. Один из способов борьбы с микропорами

Данный метод был разработан компанией TDI (Technologies and Devices International, Inc.). Суть его заключается в следующем: каналы микропор в стандартных SiC-подложках заполняются карбидом кремния, а затем поверх него выращивается новый SiC эпитаксиальный слой. Несмотря на то, что разрабатываемые способы снижают плотность распределения микропор в подложке, качество материала оставляет желать лучшего.

Существует перспектива получения SiC изначально хорошего качества. Так, в 2007 г. компании Cree удалось получить подложку n-типа диаметром 100 мм абсолютно без пор, а в 2010 г. — подложку диаметром 150 мм [2]. Несомненно, эти достижения позволяют снизить стоимость изготавливаемых компонентов.

Помимо компании Cree, существует ряд других компаний, которые разрабатывают электронные компоненты на SiC. Среди них — STMicroelectronics (STM), которая на фоне успешного выпуска диодов на SiC разработала MOSFET SCT20N120 [3] и SCT30N120 [4]. Параметры этих транзисторов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры транзисторов SCT20N120 и SCT30N120

Параметр

SCT20N120

SCT30N120

Напряжение между стоком и истоком Vds, В

1200

Напряжение насыщения затвор-исток Vgs, В

–10/+25

Непрерывный ток стока при t = +25 °C ID, А

20

45

Непрерывный ток стока при t = +100 °C ID, А

16

34

Импульсный ток стока Idm, А

45

90

Мощность транзистора при t = +25 °C Ptot, Вт

175

270

Температура хранения Tstg, °C

–55…+200

Допустимая температура кристалла Tj, °C

Сопротивление сток-исток открытого канала Rds(on), мОм

VGS = 20 В, ID = 10 A

215; 290

80; 100

VGS = 20 В, ID = 10 A, TJ = +150 °C

240

90

VGS = 20 В, ID = 10 A, TJ = +200 °C

280

100

Пороговое напряжение включения Vgs(th), В

VDS = VGS, ID = 1 мА

2; 3,5

1,8; 3,5

Суммарный заряд затвора Qg, нКл

VDD = 800 В, ID = 10 A, VGS = 0/20 В

45

105

Потери

при включении Eon, мкДж

VDD = 800 В, ID = 10 A, RG= 6,8 Ом, VGS = –2/20 В

160

500

при отключении Eoff, мкДж

90

350

при включении Eon, мкДж

VDD = 800 В, ID = 10 A, RG= 6,8 Ом, VGS = –2/20 В, TJ= +150 °C

165

500

при отключении Eoff, мкДж

100

400

Входная емкость Ciss, пФ

VDS = 400 В, f = 1 МГц, VGS = 0/20 В

650

1700

Выходная емкость Coss, пФ

65

130

Емкость «затвор–сток» Crss, пФ

14

25

Задержка включения td(on), нс

VDD = 800 В, ID = 10 A, RG = 0 Ом, VGS = 0/20 В

10

19

Время нарастания tf, нс

17

28

Задержка выключения td(off), нс

27

45

Время спада tr, нс

16

20

Стоит обратить внимание на прилагаемые в документации графики зависимости изменения сопротивления канала сток–исток в открытом состоянии от температуры (рис. 3).

График зависимости изменения сопротивления от температуры для транзисторов SCT20N120 и SCT30N120

Рис. 3. График зависимости изменения сопротивления от температуры для транзисторов SCT20N120 и SCT30N120

Как видим, изменения незначительны: при росте температуры с +25 до +200 °С в транзисторе SCT20N120 сопротивление канала увеличивается всего на 18%, а в SCT30N120 — на 30%. Таким образом, можно совершенно уверенно использовать транзистор на более высокий номинальный ток при повышенной температуре эксплуатации, а это существенное преимущество. Для примера рассмотрим аналогичный график для MOSFET STW12N120K5 на структуре MDmesh K5 (рис. 4): при таком же изменении температуры сопротивление канала увеличивается на 160%. Превышение по сравнению с SiC MOSFET колоссальное.

График зависимости изменения сопротивления от температуры для транзистора STW12N120K5

Рис. 4. График зависимости изменения сопротивления от температуры для транзистора STW12N120K5

Стоит отметить и другие особенности SiC MOSFET, а лучше просто провести сравнение с последними разработками Si IGBT и SiC JFET. Несмотря на то, что в последнее время Si IGBT сделали огромный рывок вперед по сравнению с предыдущими версиями, а именно, значительно снизились потери на переключение, потери SiC MOSFET остаются ниже. Причем не только динамические, но и статические.

Для сравнения характеристик SiC MOSFET (SCT30N120), SiC JFET (1,2 кВ 80 мОм) и Si IGBT (таблица 2) была собрана схема — простой 5-кВт повышающий DC/DC-преобразователь в режиме непрерывной проводимости (CCM) без обратной связи. Плата охлаждалась радиатором с закрепленным на нем вентилятором [5].

Таблица 2. Сравнительные характеристики испытуемых компонентов

Компоненты

Параметры Rds(on)/Vce

SiC MOSFET, HiP247

80 мОм, 20 В (Vgs) при +25 °С; 100 мОм, 20 В (Vgs) при +200 °С

SiC JFET normally-off, TO-247

80 мОм, 3 В (Vgs) при +25 °С; 200 мОм, 3 В (Vgs) при +125 °С

Si IGBT, TO-247

2,1 В при 15 В (Vge), 25 A (эквивалентно 84 мОм) при +25 °С; 2,7 В при 15 В (Vge), 25 A при +175 °С

Фотография эксперимента представлена на рис. 5.

Фотография повышающего DC/DC-преобразователя

Рис. 5. Фотография повышающего DC/DC-преобразователя

На рис. 6 представлен график статических потерь. На графике (рис. 6) присутствуют две граничные точки, которые разделяют области наилучшего применения того или иного компонента. При температуре эксплуатации +25 °С и токе до 25 А падение напряжения на открытом канале SiC MOSFET остается ниже, чем у Si IGBT. Но поскольку IGBT имеет нелинейную характеристику с более выраженной крутизной, в области выше 25 A падение напряжения Vcesat становится ниже, чем у SiC MOSFET. Аналогичная ситуация и при температуре +175 °С, только граница области смещается до 35 А. Если сравнивать с суммарными потерями, то это преимущество Si IGBT не играет существенной роли.

Выходные характеристики SiC MOSFET и Si IGBT при температурах +25 и +175 °С

Рис. 6. Выходные характеристики SiC MOSFET и Si IGBT при температурах +25 и +175 °С

Рассмотрим динамические потери, приведенные на рис. 7. Анализ проводился при частоте 25 кГц.

Графики зависимостей напряжения и тока от времени в момент отключения

Рис. 7. Графики зависимостей напряжения и тока от времени в момент отключения

Исходя из значений потерь, полученных экспериментальным путем, можно сделать вывод, что потери SiC MOSFET при переключении намного ниже, чем у Si IGBT. Об этом явно свидетельствует график мощности (отмечен светло-розовым цветом). Столь высокие потери Si IGBT при отключении появляются из-за «хвоста», который образуется в связи с рекомбинацией неосновных носителей заряда. Потери при включении были аналогичные.

Проведем сравнение с другим конкурирующим компонентом, а именно с SiC JFET. Здесь прежде всего необходимо обратить внимание на схемы управления (рис. 8).

Схемы управления

Рис. 8. Схемы управления:
а) SiC MOSFET;
б) SiC JFET (OFF)

Управление SiC MOSFET осуществляется с помощью драйвера положительным напряжением +20 В для обеспечения наименьшего сопротивления канала Rds(on). Для отключения используется напряжение –4 В, хотя это не является обязательным условием — достаточно будет и потенциала земли. Аналогичная схема управления была приведена и для IGBT, только управление осуществлялось напряжением +15 В.

Что касается схемы управления SiC JFET, то здесь ситуация иная. Для задания специальной формы заряда затвора управление транзистором осуществлялось по двойному каналу: канал «В» обеспечивает быстрый заряд затвора коротким импульсом напряжения (200 нс), канал «А» отключает транзистор и способствует удержанию канала во включенном состоянии при низком заряде. Особое внимание следует уделить синхронизации каналов, поскольку от этого зависят динамические характеристики транзистора. К тому же для снижения вероятности нежелательного включения SiC JFET необходимо подать большее отрицательное напряжение –10 В.

Все эти особенности необходимо учитывать при управлении SiC JFET, что в значительной степени усложняет схему управления, в отличие от SiC MOSFET.

Зависимость КПД от мощности при частоте 25 кГц

Рис. 9. Зависимость КПД от мощности при частоте 25 кГц

Тестирование всех трех компонентов (Si IGBT, SiC MOSFET и SiC JFET) на 5-кВт повышающем DC/DC-преобразователе проводилось на частоте 25 кГц. Оценивались как эффективность, так и температура корпуса в зависимости от мощности. Графики приведены на рис. 9 и 10.

Зависимость температуры корпуса от мощности при частоте 25 кГц

Рис. 10. Зависимость температуры корпуса от мощности при частоте 25 кГц

Эффективность работы компонента SiC MOSFET во всем диапазоне мощности незначительно превышает КПД SiC JFET и 1,5% — КПД IGBT, при этом температура корпуса SiC MOSFET намного ниже, чем у остальных компонентов.

Зависимость КПД от мощности при частоте 50 кГц

Рис. 11. Зависимость КПД от мощности при частоте 50 кГц

На частоте 50 кГц Si IGBT достигает своего предела, работа становится небезопасной, снижается КПД (рис. 11), а температура вырастает на 90 °С (рис. 12). После нескольких минут работы плата с Si IGBT была остановлена, так как была достигнута максимально допустимая температура.

Зависимость температуры корпуса от мощности при частоте 50 кГц

Рис. 12. Зависимость температуры корпуса от мощности при частоте 50 кГц

Поскольку для SiC MOSFET были заявлены частоты до 100 и 125 кГц, то, естественно, были сняты характеристики транзистора на этих частотах (рис. 13 и 14).

Зависимость КПД от мощности при частотах 100 и 125 кГц

Рис. 13. Зависимость КПД от мощности при частотах 100 и 125 кГц

Зависимость температуры корпуса от мощности при частотах 100 и 125 кГц

Рис. 14. Зависимость температуры корпуса от мощности при частотах 100 и 125 кГц

Также компания STM предоставила диаграммы процессов переключения SiC MOSFET на частоте 125 кГц (рис. 15). Потери при переключении достигли значения 765 мкДж.

Диаграммы процессов переключения SiC MOSFET на частоте 125 кГц

Рис. 15. Диаграммы процессов переключения SiC MOSFET на частоте 125 кГц

Подводя итоги, следует отметить, что преимущества SiC MOSFET доказаны. Цена транзисторов вполне объяснима, поскольку технология выращивания материала дорогостоящая. Но если посмотреть на эти транзисторы с другой стороны, оценив их преимущества по сравнению с другими компонентами, а именно схему управления, систему охлаждения и эффективность работы, то выбор сразу станет очевидным. Любой разработчик прекрасно знает, что с ростом частоты снижаются размеры индуктивных компонентов в схеме согласно закону

L = 0,5Uвх/DIпульсаций × 1/f,

а следовательно, и габариты изделия.

Благодаря свойствам SiC MOSFET расширяется диапазон мощности, в которой можно построить однокаскадную топологию вместо двухкаскадной, к примеру светодиодные драйверы [6]. К тому же наука не стоит на месте, и дальнейшее усовершенствование технологии получения пластин SiC приведет к снижению их стоимости.

Литература
  1. https://www.marubeni.com/russian/
  2. http://optics.org/press/136
  3. https://www.st.com/resource/en/datasheet/sct20n120.pdf
  4. https://www.st.com/resource/en/datasheet/sct30n120.pdf
  5. Rubino B., Catalisano G., Abbatelli L., Buonomo S. Comparative analysis of driving approach and performance of 1.2 kV SiC MOSFETs, Si IGBTs, and normally-off SiC JFETs. STMicroelectronics.
  6. Schupbach M., Ayerbe E. Advances in SiC MOSFET Technology Drive Down Cost of High-Bay and Outdoor Lighting Fixtures. Cree.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.