Что привлекает в SiC по сравнению с кремнием, и какие особенности делают компоненты SiC часто используемыми, несмотря на более высокую стоимость в сравнении с кремниевыми высоковольтными устройствами? – Объясняет специалист ведущего разработчика силовых приборов из карбида кремния, компании Infineon.
Транзисторы на основе карбида кремния (SiC) все чаще используются в преобразователях питания, к размеру, весу и КПД которых предъявляются повышенные требования. Исключительные свойства SiC позволяют создавать униполярные устройства с высокой частотой переключения в противовес IGBT. Решения, которые до сих пор были возможны в устройствах до 600 В, теперь осуществимы и для более высоких напряжений и дают преимущества, снижающие их потребительскую стоимость: высокий КПД, более высокие частоты переключения, меньшее тепловыделение и экономия места.
В то же время MOSFET стали общепринятой концепцией. Первоначально карбид кремния использовался в структурах JFET для достижения высоких показателей как производительности, так и надежности транзистора. Однако с появлением 150-миллиметрового техпроцесса на рынок вышли SiC MOSFET на основе trench-технологии, и теперь можно решить дилемму DMOS-транзисторов между производительностью и высокой надежностью.
Введение в SiC
Силовые устройства с широкой запрещенной зоной, такие как диоды и транзисторы SiC или GaN HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов), уже стали традиционными элементами в библиотеке разработчиков силовой электроники. Но что привлекает в SiC по сравнению с кремнием, и какие особенности делают компоненты SiC часто используемыми, несмотря на более высокую стоимость в сравнении с кремниевыми высоковольтными устройствами?
В преобразователях питания всегда стремятся снизить потери на преобразование. Современные системы основаны на технологиях, в которых полупроводниковые транзисторы открываются и закрываются в схемах с пассивными элементами. Что касается потерь, связанных с используемыми транзисторами, важны несколько аспектов. Во-первых, необходимо учитывать потери в открытом состоянии. В MOSFET они определяются сопротивлением канала в открытом состоянии, а в IGBT потери проводимости зависят от напряжения насыщения (Vce_sat). Потерями в закрытом состоянии обычно можно пренебречь. Во-вторых, всегда есть переходная фаза между открытым и закрытым состоянием при переключениях. Соответствующие потери в основном определяются емкостью устройства. В случае IGBT дополнительные потери происходят из-за движения неосновных носителей (пиковый ток при открытии, токовый хвост). Исходя из этого, можно было бы ожидать, что MOSFET всегда будет более предпочтительным выбором, однако сопротивление кремниевых MOSFET возрастает при высоких напряжениях настолько, что общие потери становятся выше, чем у IGBT, которые, в свою очередь, могут использовать заряд неосновных носителей для снижения сопротивления в режиме проводимости. На рисунке 1 графически представлено сравнение IGBT и MOSFET.
Рис. 1. Сравнение переключения (слева, при одной скорости dU/dt) и ВАХ (справа) MOSFET (HV обозначает аналогичное IGBT U запирания: от 1200 В и выше) и IGBT
Ситуация меняется при рассмотрении полупроводников с широкой запрещенной зоной. На рисунке 2 приведены наиболее важные физические свойства SiC и GaN в сравнении с кремнием. Здесь важно заметить, что существует прямая корреляция между шириной запрещенной зоны и максимальным электрическим полем полупроводника. В случае SiC оно почти в 10 раз выше, чем у кремния.
Рис. 2. Сравнение физических свойств полупроводниковых материалов
Эта особенность влияет на конструкцию силовых устройств. На рисунке 3 показан пример полупроводникового устройства 5 кВ.
Рис. 3. Отличия размеров силовых устройств 5 кВ на основе кремния и SiC
В случае кремния приходится использовать относительно широкую активную зону из-за среднего значения поля пробоя. Кроме того, в активную область может быть введено лишь несколько легирующих добавок, что приводит к высокому последовательному сопротивлению. Благодаря большему полю пробоя в SiC активная зона может быть значительно тоньше, в то же время можно ввести гораздо больше свободных носителей и достичь существенно более высокой проводимости. Можно сказать, что при реализации SiC-технологии выбор между высокочастотными униполярными устройствами, такими как MOSFET или диоды Шоттки, и более медленными биполярными структурами, такими как IGBT и p-n-диоды, теперь сместился в область гораздо более высоких запирающих напряжений (рисунок 4). Или, в свою очередь, возможности кремния в области низких напряжений порядка 50 В теперь доступны и для SiC в устройствах 1200 В.
Компания Infineon обнаружила потенциал SiC более 25 лет назад и сформировала группу экспертов для развития этой технологии. Важными этапами на этом пути стали первое в мире внедрение диодов Шоттки на основе SiC в 2001 году, первые силовые модули, содержащие SiC, в 2006 году, а недавно, в 2017 году, компания осуществила полный переход на 150-миллиметровый техпроцесс и представила самый инновационный в мире транзистор MOSFET Trench CoolSiC.
Рис. 4. Технологии устройств для высоких напряжений, сравнение кремния и SiC
SiC MOSFET в мире современных силовых устройств
Сегодня SiC MOSFET по большей части используются в областях, где IGBT являлись доминирующими. На рисунке 5 показаны основные преимущества SiC MOSFET по сравнению с IGBT. В SiC MOSFET благодаря линейной выходной характеристике потери проводимости, особенно при малых нагрузках, значительно ниже, чем у IGBT. Кроме того, теоретически можно уменьшить потери до бесконечно малых чисел, увеличивая площадь устройства. В случае IGBT такой подход исключен.
Что касается потерь переключения, то отсутствие неосновных носителей в режиме проводимости исключает токовые хвосты, и поэтому потери на запирание достаточно малы. Потери при открытии также уменьшены по сравнению с IGBT, в основном – за счет меньших пиковых токов открытия. Оба типа потерь не приводят к повышению температуры. Стоит отметить, что в отличие от IGBT потери при открытии в SiC MOSFET выше потерь при запирании. Наконец, отпадает необходимость в дополнительном обратном диоде, поскольку сама вертикальная структура MOSFET содержит мощный внутренний диод, который в случае SiC имеет напряжение насыщения около 3 В.
Можно ожидать, что потери проводимости в диодном режиме очень высоки, однако рекомендуется (и это актуально для низковольтных кремниевых MOSFET) работать в диодном режиме только для короткого мертвого времени проводимости диода: от 200 до 500 нс для жесткого переключения и <50 нс для резонансных топологий, таких как ZVS. Затем канал можно открыть положительным смещением затвора, которое имеет то же преимущество, что и в открытом состоянии транзистора, благодаря отсутствию напряжения насыщения. Поскольку диод представляет собой биполярный компонент, имеется небольшой эффект обратного восстановления, однако общее влияние на потери переключения пренебрежимо мало.
Компания Infineon недавно представила технологию MOSFET CoolSiC 650 В, которая будет использоваться для полной линейки продуктов на 650 В. Эта технология призвана дополнить в данном классе запирающих напряжений не только IGBT, но и успешную технологию CoolMOS. Обе подходят для быстрых переключений и имеют линейные ВАХ, однако в SiC MOSFET при жестком переключении и на частотах переключения выше 10 кГц работает внутренний диод. По сравнению с устройствами SuperJunction технологии демонстрируют гораздо меньший заряд выходной емкости (Qoss) при более плавной характеристике зависимости емкости от напряжения стока. Эти функции позволяют использовать SiC MOSFET в мостовых схемах с высоким КПД, таких как полумост и двухтранзисторные схемы в режиме непрерывной проводимости, в то время как устройства CoolMOS имеют преимущества в применениях, где жесткая коммутация внутреннего диода отсутствует или может быть предотвращена.
Все это закладывает основу для успешного сосуществования SiC и SuperJunction MOSFET в классе напряжений от 600 В до 900 В. Выбор определяется требованиями применений.
Рис. 5. Краткий обзор преимуществ SiC MOSFET по сравнению с IGBT: динамические потери (слева), проводимость (справа), внутренний диод (сверху слева)
Заключение
Компания Infineon разрабатывает устройства, тщательно оценивая стоимость и производительность, а также – с упором на исключительную надежность, которую клиенты привыкли получать от Infineon. Технология SiC Trench MOSFET соответствует этим принципам и сочетает низкое сопротивление в открытом состоянии с оптимизированной конструкцией, предотвращающей слишком большое напряжение оксида затвора и обеспечивающей его надежность.
