Выбор полупроводникового силового ключа зависит от его свойств, стоимости жизненного цикла преобразователя, а также цели его разработки и требований к производительности. Infineon предлагает целую линейку MOSFET и IGBT с широкой запрещенной зоной (SiC и GaN), продолжая при этом работать над их усовершенствованием.
За последние годы способы преобразования напряжения в переменное или постоянное, а также преобразования электрической энергии в энергию механического движения, значительно изменились. Одним из самых существенных изменений было развитие технологий импульсных преобразований, которые обеспечили взрывной рост КПД и позволили реализовать такие разработки как изолированный DC/DC-преобразователь без использования электромашин.
Импульсные технологии стали возможными по большей части благодаря полупроводниковым силовым компонентам. В настоящее время ассортимент силовых ключей достаточно широк и включает IGBT и кремниевые MOSFET (Si MOSFET), а также устройства с широкой запрещенной зоной на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN). Инженеры-разработчики при выборе силового ключа должны оценивать его рабочий диапазон и свойства, недостатки и преимущества, а также требования каждого конкретного приложения, что в конечном счете и определяет наиболее подходящую по надежности и эффективности технологию.
В поисках идеального ключа
В вопросах экономии энергии и минимизации влияния на окружающую среду преобразователи питания играют ключевую роль. Преобразователи с высоким КПД позволяют создавать компактные, легкие и дешевые устройства и обеспечивают более высокую мощность при сохранении габаритов. В таких применениях как инфраструктура сотовой связи, электромобили и граничные вычисления важно также значение удельной мощности.
Многие полагают, что полупроводники с широкой запрещенной зоной на основе SiC и GaN являются идеальными силовыми ключами. Считается, что GaN – очевидный выбор для применений с запирающим напряжением 650 В, тогда как SiC отлично подходит для напряжений выше 1000 В. Однако на практике свойства этих компонентов в некоторых приложениях могут сказаться на производительности. Во многих случаях более подходящими и экономичными решениями являются Si MOSFET последнего поколения с низкими запирающими напряжениями и высоковольтные IGBT (рисунок 1).
Рис. 1. Сравнение свойств Si, SiC и GaN
В преобразователях питания используются четыре основных типа ключей: Si IGBT, Si MOSFET, SiC MOSFET и GaN HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов) (рисунок 2). Кроме того, существуют гибридные технологии, например, IGBT со встроенными антипараллельными SiC-диодами Шоттки или многоуровневые топологии, объединяющие ключи IGBT и SiC, такие как NPC и ANPC (с фиксированной нулевой точкой и с активной фиксированной нулевой точкой), в которых каждый уровень улучшает итоговые свойства топологии.
Рис. 2. Диапазоны мощности и частоты переключения для разных технологий
GaN оптимален для новых разработок. Простая замена IGBT или Si MOSFET на GaN и перенастройка управления затвором в существующих топологиях вряд ли принесут пользу и могут даже привести к увеличению электромагнитных помех, однако замена Si IGBT на SiC может дать хороший результат: потери можно значительно сократить даже без изменения частоты переключения или ширины импульсов открытия/закрытия.
В некоторых применениях важна двунаправленность ключа, то есть то, как он работает при обратном напряжении. Такой режим возникает при переключениях в полумостовых схемах, когда напряжение стока (коллектора IGBT) и ток отрицательны в ключах с каналом n-типа, и присущ многим распространенным схемам, таким как инверторы, приводы, двухтранзисторные схемы с коррекцией коэффициента мощности, а также широко используемые в настоящее время LLC-преобразователи, преобразователи с фазосдвигающим мостом и обратноходовые преобразователи с активным ограничением.
Si и SiC MOSFET имеют внутренние паразитные диоды, проводящие ток при обратном напряжении между стоком и истоком. Колебания обратных напряжений приводят к скачкам тока обратного восстановления разной амплитуды и длительности. С другой стороны, для IGBT, у которых нет внутреннего диода, при запирании токовый хвост вызывает большое рассеивание мощности. Внутренние диоды Si MOSFET имеют большой заряд обратного восстановления и относительно медленны, что вызывает потери, особенно на высоких частотах. Паразитные диоды у SiC MOSFET имеют незначительный заряд обратного восстановления, но большое падение прямого напряжения, что также приводит к рассеиванию энергии. Поэтому разработчики все чаще используют синхронное выпрямление, заменяя диоды на активно управляемые ключи, что, в свою очередь, снижает статические потери больше, чем при использовании диодов в сочетании с IGBT.
GaN при обратном напряжении также проводят ток, который определяется низким сопротивлением канала, но без эффекта обратного восстановления. Оба явления помогают минимизировать потери мощности. Таким образом, GaN и SiC являются идеальными решениями для оптимизации КПД в полумостовых схемах, особенно в условиях жестких переключений. В резонансных схемах, при мягком переключении (когда напряжение или ток при переключении равны нулю) Si SuperJunction MOSFET по-прежнему являются оптимальным выбором для частот до 250 кГц.
Применение GaN также ограничивают номинальные значения тока и напряжения, что делает IGBT и SiC доминирующими технологиями в высоковольтных схемах и при больших токах.
Важность удельной мощности
Несмотря на то, что КПД порой является ключевым фактором, главной целью проектирования является высокая удельная мощность. Её достижение подразумевает выбор между высокочастотной работой GaN, позволяющей уменьшить размер пассивных компонентов, и работой Si или SiC MOSFET на более низких частотах с более крупными пассивными компонентами (рисунок 3). Схемы SiC и GaN обладают, как правило, более высоким КПД и позволяют использовать радиаторы меньшего размера. Однако расчет температуры сопутствующих компонентов следует выполнять осторожно. Выбор топологии и метода управления для жестких или мягких переключений также играют важную роль.
Полная стоимость жизненного цикла преобразователя питания подразумевает не только затраты на приобретение компонентов и потери энергии из-за низкого КПД, но и амортизационные расходы на проектирование, разработку и оценку соответствия, а также стоимость утилизации устаревшего оборудования. Более высокий КПД преобразователя ускоряет окупаемость, особенно в энергоемких применениях, таких как гиперцентры обработки данных.
Рис. 3. Сравнение производительности различных изделий (с потерями и без потерь в RC-цепи) Infineon по соотношению заряда затвора и уровня сигнала управления
Например, в рамках проекта Open Compute Project, в котором участники делятся разработками для центров обработки данных, есть тенденция установки преобразователей питания с прогнозируемым сроком службы от шести до восьми лет в стойку вместо того, чтобы устанавливать источники питания с двух-трехлетним жизненным циклом непосредственно на материнские платы.
При КПД, близком к 98%, GaN-разработки окупаются примерно через три года в зависимости от затрат на электроэнергию. Уменьшенный размер преобразователя и более высокий КПД позволяют разместить больше серверов в каждой стойке, что увеличивает пропускную способность. Те же преимущества доступны и в других применениях. Например, в электроприводах более эффективная технология GaN существенно уменьшит рост температуры инвертора и позволит разместить в шкафу вдвое больше приводов, что значительно снизит потребность в дорогих производственных площадях.
Показатели качества
Показателем качества ключа управления питанием является произведение сопротивления в открытом состоянии RON и площади кристалла – RDS(ON)×A. Эта величина показывает, каким количеством мощности может управлять ключ для данного напряжения. Низкое значение подразумевает меньший размер кристалла с соответственно меньшей емкостью и более высокой скоростью переключения. Увеличенная площадь кристалла при заданной мощности потенциально снижает стоимость.
Другой показатель, представленный произведением RDS(ON)×EOSS, объединяет потери проводимости с потерями при переключении, возникающими из-за рассеивания накопленной энергии EOSS в выходной емкости ключа в каждом цикле переключения. Чем ниже этот показатель, тем меньше потери. Сама EOSS – энергия, запасенная в выходной емкости – является индикатором потерь при открытии.
Важность этого соотношения объясняется тем, что мощность управления затвором может влиять на КПД системы. GaN имеет низкое пороговое напряжение около 1,5 В и чрезвычайно низкий QG(TOT), и мощность сигнала для управления затвором составляет милливатты даже на высоких частотах. В то же время для IGBT может потребоваться несколько ватт даже на низких частотах из-за перепадов напряжения затвора в пределах +16/-9 В и заряда затвора порядка единиц микрокулонов. Заряд и разряд емкости (QG(TOT)) в ключах SiC через сопротивление затвора также сказываются на скорости переключений и возникающие электромагнитные помехи.
Рынки Si, SiC и GaN растут одинаково. Аналитики Research and Markets ожидают, что среднегодовой темп роста рынка IGBT будет составлять более 8% и достигнет почти 10 миллиардов долларов США к 2023 году. Si MOSFET по-прежнему предпочтительнее для некоторых применений. Области применения полупроводников с широкой запрещенной зоной расширяются, поэтому повсеместно ведется разработка новых устройств и совершенствование их характеристик (рисунок 4).
Рис. 4. Совершенствование характеристик Si SuperJunction MOSFET
Infineon стремится к более идеальным показателям RDS(ON)×EOSS и RDS(ON)×A. Являясь пионером в технологии Si-Superjunction, компания рассчитывает в будущем вдвое сократить значение RDS(ON)×A – до 5 мОм⋅см². Новые топологии IGBT на основе Trenchstop также улучшают соотношение VCE_SAT и QTOT. Infineon продолжает совершенствовать устройства с широкой запрещенной зоной, поскольку технологии GaN и SiC еще далеки от теоретических пределов показателя RDS(ON)×A.
В конечном счете, выбор полупроводникового силового ключа зависит от его свойств, стоимости жизненного цикла преобразователя, а также цели его разработки и требований к производительности. Оптимальные электрические характеристики достигаются за счет детального проектирования с использованием устройств с широкой запрещенной зоной.
