Силовые SiC-приборы в транспортных применениях

Рис. 1. DC/DC-конвертер Shinry Technologies для HEV/EV-применений

Заменив кремниевые приборы на SiC MOSEFT 12-го класса в DC/DC-преобразователях мощностью 3-10 кВт, компания Shinry значительно повысила эффективность и уменьшила размеры и вес устройства. Получить такие показатели с применением Si-транзисторов было невозможно из-за худших характеристик переключения. Преимущества, представленные в данном примере, типичны для применения карбидокремниевых приборов в автомобилях, где они заменяют кремниевые. Использование SiC силовых ключей позволяет решить одну или даже несколько задач — снизить стоимость системы, повысить плотность мощности и эффективность, уменьшить габариты [6–7].

По этой причине 1200-вольтовые SiC MOSFET семейства C2M (выпускаемые в корпусе ТО-247 с током 25, 40, 80, 160 или 280 А, также в различных модульных исполнениях) широко применяются в бортовых и внешних зарядных устройствах HEV/EV, а также во вспомогательных источниках питания, производимых различными фирмами. Как и IGBT, транзисторы семейства C2M SiC MOSFET хорошо подходят для параллельного включения, что необходимо для наращивания мощности [8].

Кроме существенного повышения производительности, SiC MOSFET-транзисторы обладают и другими важными преимуществами. Например, если использовать встроенный (body) диод, то в определенных случаях можно будет отказаться от внешнего антипараллельного диода Шоттки. Но такой способностью не обладают кремниевые IGBT, а body-диоды не применяются в кремниевых MOSFET из-за плохих характеристик выключения. Интегральные диоды SiC MOSFET имеют минимальные потери выключения, что обеспечивает высокую эффективность системы. Они позволяют сократить расходы на комплектующие и повысить надежность конвертера благодаря снижению числа дополнительных компонентов, кристаллов и их соединений.

Испытания на надежность SiC MOSFET-транзисторов C2M080120D, проводимые при температуре 150 °C в течение 1000 ч (при напряжении на затворе -5 В, токе диода 10 А), показали, что поведение встроенного диода остается очень стабильным. В ходе тестов 39 образцов были выявлены незначительные изменения прямого напряжения (порядка 0,68 мВ) диодов и такие же низкие (порядка 4,5 мВ) колебания напряжения транзисторов в открытом состоянии [7]. SiC MOSFET также отличаются очень хорошей стабильностью параметров при высоких температурах.

На рис. 2 к транзистору C2M0160120D (1200В SiC MOSFET) приложено напряжение -15 В в течение 1000 ч при 150 °C, что превышает максимальное рекомендуемое значение, равное -10 В. Несмотря на это, испытания выявили только небольшое смещение (10 мВ) порогового напряжения V_th и незначительное изменение в 3,2 мОм сопротивления открытого канала R_DSON [7].

Рис. 2. Смещение -15 В, приложенное к транзистору Cree C2M0160120D (1200 В, SiC MOSFET) в течение 1000 ч при температуре 150 °C, превышает максимальное рекомендуемое значение (-10 В). Испытания показали незначительное изменение среднего порогового напряжения (10 мВ) в ходе тестирования

Прорывные технологии SiC MOSFET с напряжением 900 В

Новая MOSFET-технология обеспечивает еще большую эффективность и лучшую управляемость затвора благодаря существенному снижению удельного сопротивления открытого канала, которое изменилось с 5 мОм/см² у коммерческих SiC MOSFET 12-го класса (например, C2M0160120D) до 2-3 мОм/см² у новых планарных карбидокремниевых транзисторов с рабочим напряжением 900 В [9]. В новейшей SiC-технологии используется базовая надежная планарная DMOS-структура, показанная на рис. 3. Это позволяет кардинально повысить производительность 900-вольтовых SiC-транзисторов вследствие снижения величины R_DSON более чем на 40% по сравнению с лучшими из выпускаемых сегодня кремниевых MOSFET 12-го класса. Результатом является появление карбидо-кремниевых ключей с более низким рабочим напряжением, но с лучшими экономическими показателями и более высокой эффективностью переключения на высоких частотах. Применение таких SiC MOSFET-транзисторов дает возможность снизить общую стоимость автомобильных тяговых инверторов новых поколений..

Рис. 3. Коммерчески реализованная планарная SiC-МОП структура с двойной имплантацией была представлена Cree в 2011 г. Семейство транзисторов второго поколения (C2M) было выпущено в 2013 г. Каждое поколение имеет идентичную базовую структуру, но меньшее сопротивление открытого канала.

Сравнение SiC MOSFET и Si Super Junction MOSFET

Чтобы оценить производительность транзисторов, можно сравнить величину энергии, запасенной в выходной емкости (E_OSS) нового 900-вольтового SiC MOSFET и усовершенствованного Super Junction Si MOSFET, имеющего рабочее напряжение 650 В и 900 В. Из рис. 4 видно, что величина E_OSS транзистора Cree при температуре 150 °С примерно в три раза ниже, чем у Si SJ MOSFET при аналогичном сопротивлении канала R_DSON. Характеристики E_OSS карбидокремниевого транзистора и 650-вольтового Si SJ MOSFET соизмеримы (разница в 20-30%), но при этом у SiC MOSFET на 50% выше блокирующее напряжение, что обеспечивает большой запас надежности. Кроме того, в состав карбидокремниевой структуры входит рабочий встроенный диод.

Рис. 4. Показатели EOSS и RDSON транзисторов Cree SiC MOSFET (900 В) по сравнению с Si SJ MOSFET (650 и 900 В). Новые транзисторы Cree имеют трехкратное преимущество перед 900-вольтовыми Si SJ MOSFET и соизмеримые характеристики с 650-вольтовыми Si SJ MOSFET

Еще одним достоинством новых карбидокремниевых транзисторов является меньший уровень потерь проводимости при высоких температурах по сравнению с Si-или GaN-приборами. На рис. 5 [9] приведено нормализованное значение R_DSON 900-вольтового SiC MOSFET, 600-вольтового транзистора GaN и 600-вольтового Si SJ MOSFET при различных температурах. При T_j = 150 °С сопротивление открытого канала GaN-прибора почти в два раза (1,85) больше, чем у 900-вольтового SiC MOSFET, а величина R_DSON транзистора Si SJ MOSFET 6-го класса при тех же условиях возрастает более чем в 2,5 раза.

Рис. 5. Новейшие 900-вольтовые SiC MOSFET имеют лучшие температурные характеристики RDSON по сравнению с 600-вольтовыми Si- и GaN-транзисторами

 

Сравнение SiC MOSFET (900 В) и Si IGBT (650 В)

Динамические потери SiC-ключей (900 В, 65 мОм) и IGBT (600 В, 30 А) в одинаковых режимах работы (400 В, 150 °C и 10 А) различаются в 4 раза (60 и 260 мДж соответственно).

На ранней стади исследований очень сложно оценить, насколько может измениться удельная мощность и плотность мощности автомобильных тяговых преобразователей от внедрения в них новых 900-вольтовых SiC MOSFET-транзисторов. Однако первый опыт применения в других системах демонстрирует высокий потенциал по плотности мощности (свыше 20 кВт/л) и эффективности преобразования (пиковое значение 99%) [10]. Для устройств с напряжением питания 400-700 В применение новых SiC MOSFET-транзисторов Cree обеспечивает уровень технической и экономической эффективности, недостижимый при использовании 650-вольтовых кремниевых IGBT- или MOSFET-приборов. Такие основные преимущества SiC, как более высокое рабочее напряжение, меньшие потери проводимости и переключения, меньшее количество компонентов (в результате использования body-диодов) и повышенная надежность, теперь могут быть реализованы на системном уровне. В сочетании с другими карбидокремниевыми компонентами, такими как 650-вольтовые диоды и 1200-вольтовые SJ MOSFET, уже выпускаемыми в исполнениях для автомобилей, новый SiC MOSFET с напряжением 900 В готов к испытаниям в составе тягового преобразователя HEV/EV.