Транзисторы SiC MOSFET со сверхнизким сопротивлением канала в приводах электромобилей

Развитие SiC-технологии

Прогресс технологии карбида кремния, идущий по пути увеличения диаметра, объема выпуска, повышения качества и снижения стоимости SiC, достиг точки, когда массовое производство 150-мм пластин основано на использовании карбидокремниевых заготовок, как показано на рис. 1. В 2016 календарном году компания Wolfspeed произвела почти 18 тонн 150-мм SiC-пластин [1] для рынков LED-, RF- и силовых приборов с прогнозом дальнейшего роста. Также были продемонстрированы опытные образцы SiC-пластин диаметром 200 мм как пример дальнейшего увеличения диаметра. Качество SiC-пластин непрерывно улучшалось на протяжении нескольких лет, в 2016 году средняя величина MPD (MicropipeDensity) упала до 0,2/см². Это позволяет выпускать кристаллы SiC MOSFET большой площади, удовлетворяющие требованиям автомобильного стандарта AEC-Q-101.

Рис. 1. Подложки диаметром 150 мм теперь используются для массового изготовления SiC-приборов. Почти 18 т 150-мм пластин произведено Wolfspeed в 2016 г. [1]

Удельное сопротивление канала на единицу площади SiC MOSFET, появившихся в 2011 году, продолжает улучшаться. Например, первое поколение SiC MOSFET (серия CMF Wolfspeed [2]), изготовленное в 2011 году, имело удельное значение R_DS(ON) при +25 °C около 8 мОм·см², возрастающее до 11 мОм·см² при +150 °С. У второго поколения (C2M), появившегося в 2013 году, эта величина существенно снижена, и наконец, SiC MOSFET 1200 В третьего поколения (C3M [3]), выпущенные в 2017 году, характеризуются очередным резким снижением R_DS(ON), особенно при рабочей температуре. Как показано на рис. 2, у SiC MOSFET 1200В (C3M0075120K) удельное значение R_DS(ON) составляет всего 4,4 мОм·см² при +150 °C, что на 60% ниже, чем у исходного CMF-транзистора. Особенности конструкции этих приборов описаны в [4]; все три генерации имеют планарную структуру DMOS, при этом в третьем поколении использован более компактный шаг ячейки и оптимизирован процесс легирования в дрейфовой области для снижения сопротивления MOSFET во всем температурном диапазоне. Пиковые электрические поля в структурах SiC MOSFET такие же или меньшие, чем у компонентов предыдущих поколений, поэтому показатели надежности остались на прежнем уровне.

Рис. 2. У1200 ВSiCMOSFET, представленных в 2011 году, существенно уменьшено удельное сопротивление канала, третье поколение SiCMOSFET (серия C3M) отличается сниженным на 60% (при +150 °C) удельным значением RDS(ON) по сравнению с первым поколением SiCMOSFET. Последняя генерация SiCMOSFET характеризуется более плотной структурой ячеек и оптимизированным профилем легирования, при этом показатели надежности находятся на прежнем уровне

SiC-технология для автомобильных применений

Мировой рост рынка BEV, обеспечивающий соответствие современным стандартам по экономичности и снижению выбросов CO₂, требует применения новых полупроводниковых технологий в инверторе привода. Напряжение питания инвертора BEV находится в диапазоне 400–900 Вв зависимости от мощности привода, типа батареи и наличия повышающего конвертера. Поскольку инвертор привода управляет мотором, его рабочая частота обычно не превышает 20 кГц. Преимущество использования более высоких частот здесь состоит только в уходе от слышимого диапазона аудиошумов. Следовательно, основные потери инвертора — это потери проводимости, особенно при малых нагрузках BEV.

Как правило, выбором в таком случае становится кремниевый IGBT, однако присущее ему пороговое напряжение насыщения (из-за его «биполярной» структуры) на малой нагрузке нельзя уменьшить, даже при параллельном включении большого количества IGBT. Карбид кремния имеет в 10 раз более высокую напряженность электрического поля (~3 МВ/см), чем Si, поэтому униполярная SiC MOSFET-структура хорошо подходит для реализации силовых транзисторов 650, 900 и 1200 В благодаря следующим основным особенностям:

• SiC MOSFET не имеют напряжения насыщения, в отличие от Si IGBT; при параллельном включении чипов SiC MOSFET можно снизить сопротивление открытого канала до ≤ 1–2 мОм;
• SiC MOSFET могут реализовать проводимость в третьем квадранте (в отличие от Si IGBT) за счет использования тельного диода в «мертвое» время (время Tdt очень малое у SiC-структур) и последующего открывания канала SiC MOSFET в третьем квадранте, что дает такие же низкие потери в состоянии обратной проводимости, как и при прямой проводимости. Комбинация использования тельного диода в течение «мертвого» времени и синхронного выпрямления исключает необходимость во внешнем антипараллельном диоде, что позволяет снизить габариты и стоимость при минимальном влиянии на эффективность на частотах до 50 кГц; применение SiC MOSFET может снизить потери инвертора в типовом приводном цикле BEV EPA до ~78 % [5].

Результаты

Компания Wolfspeed разрабатывает силовые модули SiC MOSFET с низким сопротивлением канала R_DS(ON) для применения в приводе BEV. Базовую технологию SiC MOSFET можно масштабировать в пределах от 650–900 до 1200 В путем простой модификации эпитаксиальной дрейфовой зоны (блокирующий слой) и краевых областей. Базовая топология MOSFET остается одинаковой для всех приборов в указанном диапазоне напряжения, что обеспечивает простоту интеграции в силовые модули.

На рис. 3 иллюстрируется традиционный метод подключения проводников с помощью ультразвуковой сварки к верхней контактной поверхности на примере третьего поколения кристаллов SiC MOSFET. Эта технология может быть использована в модулях 650, 900 или 1200 В при небольшом изменении топологии чипов. Кристаллы SiC MOSFET 900 В с низким сопротивлением канала (10 мОм у CPM3-0900-0010A) уже доступны [6], они были использованы при разработке версии модулей 900 В [5, 7], проверка статических и динамических потерь которых уже проведена. Специалисты компании Ford сравнили измеренные параметры полумостового модуля SiC 900 В с сопротивлением 2,5 мОм (четыре MOSFET-кристалла на ключ) с параметрами 700-В инвертора на базе Si IGBT в двигателе мощностью 90 кВт и выявили среднее снижение потерь на 78% в стандартном приводном цикле EPA [5].

Рис. 3. Чипы WolfspeedSiCMOSFET (слева) масштабируются от 650 В/7 мОм до 900 В/10 мОм и 1200 В/13 мОм путем простой модификации блокирующей зоны и краевых областей. Кристаллы SiCMOSFET можно соединять параллельно для создания силового модуля с низким сопротивлением открытого канала.
На рисунке (в центре и справа) четыре чипа 900 В/10 мОм SiCMOSFET (CPM3-0900-0010A) соединены в параллель в одном ключе полумостового низкопрофильного модуля 62 мм (справа). Результирующие характеристики SiC-модуля: 900 В, 2,5 мОм, 400 A. Количество кристаллов может быть удвоено, что даст дальнейшее снижение RDSON до 1,25 мОм

В последнее время большое внимание уделяется технологии спекания чипов SiC [8–10], позволяющей исключить использование сварных проводников при сборке. Одним из основных достоинств является увеличение так называемого прерывающегося срока службы (IOL), поскольку усталостные процессы в сварных соединениях проводников или соединениях кристаллов часто становятся причиной отказов. Другие потенциальные преимущества состоят в лучшем (двухстороннем) охлаждении, лучшем распределении тепла и более высокой стойкости к короткому замыканию. Недавний пример Delphi [10] демонстрирует использование пяти двухсторонних спеченных SiC MOSFET (650 В, 7 мОм) в параллель в одиночном ключе (1,7 мОм), как показано на рис. 4. Спекание кристаллов WolfspeedSiC MOSFET (650 В, 7 мОм) проводилось по верхней и нижней стороне с металлизацией Ni:Au.

Рис. 4. Модуль 650 В, 1,7 мОм, 750 А

Характеристики модуля оказались впечатляющими: сопротивление R_DS(ON) (1,7 мОм, 750 A, 25°C) немного увеличивается до 2,3 мОм при +175 °C, как показано на рис. 5 (вверху). Также первый прототип модуля был испытан на термоциклирование путем подачи DC-тока 520 A в каждой фазе (сквозной ток), что дает целевой градиент температуры dT_J 100 K (изменение от +50 до +150 °C). Тестовый цикл продолжался 25 с (испытывалось шесть модулей, все три фазы под током) с 10-с перерывом, прямое напряжение измерялось после 36 000 циклов. Ни на одном из модулей увеличение не превысило 5% за 36 000 циклов, как показано на рис. 5 (внизу). Параллельно с разработкой модулей 650 и 900 В ведется работа над 1200-В SiC MOSFET. У чипа площадью 32 мм² сопротивление R_DS(ON) составляет 13 мОм при комнатной температуре и 23 мОм при +175 °С.

Рис. 5. SiC-модуль Delphi (650 В, 1,7 мОм, 750 A), показанный на рис. 4, протестирован на токах до 750 A (RDSON ~ 2,3 мОм при +175 °C (сверху)); шесть таких модулей подвергнуты воздействию 36 000 термоциклов с dTJ = 100 K (+50…+150 °C): увеличение прямого напряжения <5% содержит в одном ключе пять SiCMOSFET-кристаллов 650 В/7 мОм с двусторонним спеканием

Заключение

Сочетание SiC-пластин большего диаметра (150–200 мм) с улучшенным качеством материалов и достижений технологии SiC MOSFET (понижение на 60% удельного сопротивления R_DS(ON) при +150 °C для модулей 1200 Вв течение 2011–17 гг.) позволило получить сверхнизкое (< 15 мОм) сопротивление в коммерческих карбидокремниевых ключах. Модули SiC MOSFET 900 В с R_DS(ON) 10 мОм представлены на рынке с января 2017 года.

Совершенствование тяговых приводов BEV с использованием SiC-технологий, позволяющих снизить потери инвертора до ~78% в приводном цикле EPA, может предложить разработчикам систем BEV увеличение пробега или снижение цены батареи при заданном пробеге. Сегодня развитие SiC-технологий направлено на улучшение производительности и надежности карбидокремниевых транзисторов, что было продемонстрировано на примере чипов MOSFET 650 В, 7 мОм, использованных при производстве модулей с двусторонним спеканием с сопротивлением канала 1,7 мОм. Модули предназначены для применения в автомобильных приводных инверторах, которые уже показали очень хорошие характеристики термоциклирования и впечатляюще низкие потери проводимости.