Stosowanie tranzystorów SiC MOSFET trzeciej generacji w projektach zasilania w celu poprawy parametrów działania i sprawności

Jesteśmy świadkami nieustannych dążeń do zwiększenia sprawności, zmniejszenia rozmiarów i podwyższenia parametrów działania w zastosowaniach zasilania, takich jak przemysłowe napędy silnikowe, przetwornice i falowniki prądu zmiennego i stałego, ładowarki baterii oraz systemy magazynowania energii. Tak surowe wymagania w dziedzinie parametrów działania przewyższają możliwości krzemowych (Si) tranzystorów MOSFET i stymulują nowsze architektury tranzystorów bazujące na węgliku krzemu (SiC).

Wspomniane nowe urządzenia oferują znaczną poprawę kluczowych parametrów działania, jednak projektanci ostrożnie podeszli do urządzeń SiC pierwszej generacji ze względu na różnorodne ograniczenia i niepewności związane z zastosowaniami. Urządzenia drugiej generacji zapewniają lepsze specyfikacje, a także lepsze zrozumienie niuansów. Wraz ze wzrostem parametrów działania tranzystorów SiC MOSFET i coraz silniejszą presją skrócenia czasu wprowadzania produktów na rynek, projektanci zaczęli stosować te nowe urządzenia w celu realizacji swoich celów. W ostatnim czasie pojawiły się urządzenia trzeciej generacji posiadające cechy dojrzałej technologii energoelektronicznej na bazie węgliku krzemu (SiC). Urządzenia te zapewniają poprawę kluczowych parametrów, a jednocześnie wykorzystują doświadczenie projektowe i wiedzę zdobytą na poprzednich generacjach.

Artykuł porównuje urządzenia wykonane z użyciem krzemu (Si) i węgliku krzemu (SiC) oraz omawia prace rozwojowe i migrację do technologii SiC MOSFET trzeciej generacji. Następnie przedstawia faktyczne przykłady urządzeń firm Toshiba Semiconductor oraz Storage Corp. Toshiba), demonstrując sposób, w jaki pomagają projektantom osiągnąć znaczne korzyści podczas projektowania systemów zasilania.

Krzem kontra węglik krzemu

W ciągu ostatnich dziesięcioleci krzemowe tranzystory MOSFET przekształciły systemy zasilania, poczynając od podstawowych zasilaczy i falowników, a skończywszy na napędach silnikowych. Podobnie jak tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) - elementy półprzewodnikowe podobne funkcjonalnie, jednak znacznie różniące się konstrukcją - tranzystory krzemowe MOSFET zoptymalizowane pod kątem przełączania pozwoliły na przejście od bazującej na topologiach liniowych tradycyjnej konwersji mocy o niskiej sprawności do bardziej kompaktowych rozwiązań o wyższej sprawności ze sterowaniem przełączania.

Większość z tych konstrukcji wykorzystuje jakąś postać modulacji szerokości impulsu (PWM) w celu dostarczenia i utrzymania żądanej wartości napięcia, prądu lub mocy w układzie z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego. Popularność krzemowych tranzystorów MOSFET spowodowała również wzrost stawianych im wymagań. Dodatkową presję na udoskonalanie wspomnianych tranzystorów MOSFET wywierały nowe cele dotyczące sprawności (określane w wielu przypadkach wymogami przepisów), rynki pojazdów elektrycznych i inteligentnego sterowania silnikami, konwersji mocy oraz energii odnawialnych i skojarzonych z nimi systemów magazynowania energii.

W rezultacie znaczne wysiłki badawczo-rozwojowe doprowadziły do poprawy parametrów działania krzemowych tranzystorów MOSFET, jednak okazało się, że wysiłki przestają przynosić opłacalne rezultaty. Na szczęście w teorii istniała alternatywna technologia w postaci urządzeń przełączających mocy, w których jako podłoże wykorzystano węglik krzemu (SiC), zamiast czystego krzemu.

Dlaczego warto używać węgliku krzemu?

Ze względu na zaawansowane zjawiska fizyczne, węglik krzemu (SiC) posiada trzy główne właściwości elektryczne, które odróżniają go od czystego krzemu i zapewniają korzyści użytkowe. Istnieją również inne, bardziej subtelne różnice (ilustracja 1).

Ilustracja 1: orientacyjne porównanie kluczowych właściwości materiałowych dla węgliku krzemu (SiC), krzemu (Si) oraz azotku galu (GaN). (Źródło ilustracji: Researchgate)

Oto trzy główne cechy charakterystyczne:

• Wyższe krytyczne napięcie przebicia pola elektrycznego 2,8MV/cm w porównaniu do 0,3MV/cm, co pozwala na pracę przy wyższym napięciu znamionowym i użycie cieńszej warstwy, dzięki czemu następuje znaczne obniżenie rezystancji dren-źródło w stanie włączenia (R_DS(on)).
• Wyższa przewodność cieplna umożliwia stosowanie wyższych gęstości prądu dla danego pola przekroju poprzecznego.
• Szersza przerwa energetyczna (różnica energii w elektronowoltach pomiędzy górą pasma walencyjnego i dołem pasma przewodzenia w półprzewodnikach i izolatorach) obniża prądy upływu przy wyższych temperaturach. Z tego względu diody SiC oraz tranzystory polowe (FET) często są nazywane urządzeniami półprzewodnikowymi z szeroką przerwą energetyczną (WBG).

W rezultacie urządzenia na bazie węgliku krzemu (SiC) mogą blokować nawet dziesięciokrotnie wyższe napięcia niż struktury czysto krzemowe. Mogą one przełączać dziesięć razy szybciej i posiadają rezystancję w stanie włączenia R_DS(on) równą połowie, a nawet niższą w temperaturze 25°C, przy tej samej powierzchni struktury (oczywiście w przybliżeniu). Ponadto straty związane z wyłączaniem są w urządzeniach SiC niższe, ponieważ nie występuje szkodliwy ogon prądowy. Jednocześnie zdolność do pracy przy znacznie wyższych temperaturach około 200°C w porównaniu do 125°C ułatwia projektowanie pod względem odprowadzania ciepła.

Ze względu na zalety i właściwości działania, urządzenia SiC zajmują obecnie prominentne miejsce w tabeli mocy i szybkości działania, obok tranzystorów IGBT, krzemowych MOSFET oraz GaN (ilustracja 2).

Ilustracja 2: ze względu na atrybuty działania, tranzystory SiC MOSFET sprawdzają się w szerokim zakresie zastosowań o różnych mocach i częstotliwościach znamionowych. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Droga od opracowania materiałów SiC i fizycznych aspektów urządzeń do komercyjnych tranzystorów SiC MOSFET nie była szybka ani łatwa (ilustracja 3). Intensywne wysiłki badawcze i produkcyjne doprowadziły do wprowadzenia w 2001 roku pierwszych urządzeń na bazie węgliku krzemu (SiC) - diod Schottky’ego. Dwie dekady później, branża opracowuje i dostarcza ilości produkcyjne tranzystorów SiC MOSFET pierwszej, drugiej i trzeciej generacji. Każda generacja oferuje konkretną poprawę określonych parametrów, z czym wiążą się jednak pewne kompromisy.

Ilustracja 3: historia komercyjnych urządzeń bazujących na węgliku krzemu (SiC) rozpoczyna się od wprowadzenia na rynek w 2001 roku pierwszych komercyjnych diod SiC Schottky’ego. (Źródło ilustracji: IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Należy zwrócić uwagę na precyzyjność terminologii: tak samo, jak wcześniejsze tranzystory krzemowe, tranzystory SiC FET są tranzystorami MOSFET. W szerokim tego znaczeniu, ich wewnętrzne struktury fizyczne są podobne i obydwa są urządzeniami posiadającymi trzy zaciski - źródło, dren i bramkę. Różnicę określa sama nazwa: tranzystory SiC FET wykonane są na podłożu z węgliku krzemu (SiC), a nie czystego krzemu.

Zacznijmy od pierwszej i drugiej generacji

Istnieje wiele parametrów, które charakteryzują urządzenie przełączające. Do licznych parametrów statycznych zaliczają się maksymalne napięcie robocze, maksymalny prąd znamionowy, a także dwa statyczne współczynniki dobroci (FoM): rezystancja R_DS(on) oraz maksymalna temperatura robocza, które wiążą się z przenoszoną mocą dla danego rozmiaru struktury i obudowy.

W urządzeniach przełączających również parametry dynamiczne mają znaczenie krytyczne, gdyż pozwalają oszacować straty przełączania. Najczęściej podawanym dynamicznym współczynnikiem dobroci (FoM) jest iloczyn rezystancji R_DS(on) i ładunku bramki, R_DS(on) × Q_g, przy czym coraz ważniejszy staje się ładunek regeneracji wstecznej Q_rr. Te współczynniki dobroci (FoM) decydują w głównej mierze o rozmiarach i możliwościach sterownika bramek jako odpowiedniego źródła i odbioru prądu dla urządzenia przełączającego bez przeregulowań, oscylacji komutacyjnych i innych zniekształceń.

Na przeszkodzie w wykorzystaniu i rozwoju rynku urządzeń SiC pierwszej generacji stały problemy z niezawodnością. Jeden z nich dotyczy diod PN, które znajdują się między źródłem i drenem tranzystora mocy MOSFET. Napięcie przyłożone do diody PN zasila ją i skutkuje zmianą rezystancji w stanie włączenia, co zmniejsza niezawodność urządzenia.

Druga generacja urządzeń firmy Toshiba rozwiązuje w dużym stopniu ten problem dzięki modyfikacji podstawowej struktury urządzenia SiC poprzez użycie barierowej diody Schottky’ego (SBD) wbudowanej w tranzystor MOSFET (ilustracja 4). Poprawia to niezawodność o ponad jeden rząd wielkości. Nowa struktura zapobiega zasilaniu diody PN poprzez połączenie jej równolegle z diodą SBD wewnątrz celi. Prąd płynie przez wbudowaną diodę SBD ponieważ jej napięcie włączenia jest niższe od napięcia włączenia diody PN, co zmniejsza w pewnym stopniu zmiany rezystancji w stanie włączenia i poprawia niezawodność tranzystora MOSFET.

Ilustracją 4: w przeciwieństwie do typowego tranzystora SiC MOSFET bez wbudowanej diody barierowej Schottky'ego (SBD) (po lewej), tranzystor w nią wyposażony minimalizuje zasilanie pasożytniczej diody PN. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Tranzystory MOSFET z wbudowanymi diodami SBD były już w praktycznym użyciu, jednak tylko w urządzeniach wysokiego napięcia - na przykład urządzeniach na 3,3kV - ponieważ wbudowana dioda SBD powodowała ostatecznie wzrost rezystancji w stanie włączenia do poziomów tolerowanych tylko w urządzeniach wysokiego napięcia. Firma Toshiba modyfikowała różne parametry urządzenia i odkryła, że stosunek powierzchni diody SBD w tranzystorze MOSFET ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania wzrostowi rezystancji w stanie włączenia. Dzięki optymalizacji powierzchni diody SBD firma Toshiba opracowała tranzystor SiC MOSFET klasy 1.2kV o znacznie zwiększonej niezawodności.

Jednak z wieloma udoskonaleniami wiążą się kompromisy. Nowa struktura urządzenia znacząco poprawiła niezawodność, jednak miała niekorzystny wpływ na dwa współczynniki dobroci (FoM). Wzrost nominalnej rezystancji R_DS(on), a także iloczynu R_DS(on) × Q_g, co obniża parametry działania tranzystora MOSFET. Aby skompensować i obniżyć rezystancję w stanie włączenia, tranzystory SiC MOSFET drugiej generacji posiadają większą powierzchnię struktury, jednak oznacza to wzrost kosztu.

Trzecia generacja wykazuje cechy dojrzałej technologii

Biorąc to pod uwagę, firma Toshiba opracowała tranzystory SiC MOSFET trzeciej generacji w postaci grupy TWXXXN65C/TWXXXN120C. Urządzenia te zoptymalizowały strukturę warstwy rozprowadzającej prąd w celu zmniejszenia rozmiaru celi, a także uzyskania wyższego napięcia znamionowego, szybszego przełączania i niższej rezystancji w stanie włączenia.

Rezystancja w stanie włączenia jest redukowana częściowo poprzez obniżenie rezystancji rozprowadzania (R_spread). Prąd diody SBD jest zwiększany poprzez wstrzyknięcie azotu u dołu szerokiego obszaru dyfuzyjnego typu P (P-well) tranzystora SiC MOSFET. Firma Toshiba zmniejszyła również obszar JFET i wstrzyknęła azot w celu zmniejszenia pojemności sprzężenia zwrotnego oraz rezystancji JFET. W wyniku tego zmniejszono pojemność sprzężenia zwrotnego bez zwiększania rezystancji w stanie włączenia. Uzyskano również stabilną pracę bez fluktuacji rezystancji w stanie włączenia dzięki optymalizacji pozycji diody SBD.

Obecnie grupa zawiera tranzystory SiC MOSFET 650V oraz 1200V, zaprojektowane do zastosowań przemysłowych dużej mocy, takich jak zasilacze prądu zmiennego/stałego 400V i 800V, falowniki fotowoltaiczne (PV) oraz dwukierunkowe przetwornice prądu stałego do zasilaczy awaryjnych (UPS). Zarówno tranzystory SiC MOSFET 650V, jak i 1200V są oferowane w standardowych obudowach TO-247 z trzema odprowadzeniami (ilustracja 5).

Ilustracja 5: tranzystory SiC MOSFET trzeciej generacji 650V oraz 1200V są oferowane w standardowych obudowach T0-247 i znakomicie sprawdzają się w szerokim zakresie zastosowań sterowania, zarządzania i konwersji mocy. (Źródło ilustracji: Toshiba)

W omawianych tranzystorach SiC MOSFET trzeciej generacji współczynnik dobroci (FoM) w postaci iloczynu R_DS(on) × Q_g jest obniżony o 80% w porównaniu z urządzeniami drugiej generacji firmy Toshiba - to znaczy spadek - a straty przełączania są niższe o około 20%. Technologia wbudowanej diody barierowej Schottky'ego zapewnia również ultraniskie napięcie przewodzenia (V_F).

Istnieją inne niuanse projektowe związane z tranzystorami MOSFET. Weźmy na przykład napięcie V_GSS. V_GSS to maksymalne napięcie jakie można przyłożyć pomiędzy bramką i źródłem, gdy dren i źródło są zwarte. W urządzeniach SiC trzeciej generacji zakres napięć V_GSS wynosi od 10 do 25V, przy czym wartością zalecaną jest 18V. Szeroki zakres napięć znamionowych V_GSS ułatwia projektowanie i zwiększa niezawodność.

Ponadto niska rezystancja i wyższe napięcie progowe bramki (V_GS(th)) - napięcie przy którym kanał tranzystora MOSFET zaczyna przewodzić - pomagają w zapobieganiu awarii, takich jak przypadkowe włączenie w wyniku skoków napięcia, zakłóceń i przeregulowań. Napięcie to mieści się w zakresie od 3,0 do 5,0V, co pomaga zapewnić przewidywalne parametry przełączania z minimalnym dryftem, a jednocześnie upraszcza projektowanie sterowników bramek.

Bliższe spojrzenie na tranzystory SiC MOSFET trzeciej generacji 650V oraz 1200V

Przyjrzyjmy się dwóm urządzeniom po przeciwległych stronach spektrum grupy urządzeń 650V oraz 1200V i zwróćmy uwagę na rozpiętość możliwości. Fizyczna obudowa, układ wtyków oraz symbol schematyczny wszystkich urządzeń jest taki sam (ilustracja 6), jednak różnią się one szczegółami.

Ilustracja 6: wszystkie urządzenia należące do grupy tranzystorów SiC MOSFET trzeciej generacji firmy Toshiba mają taki sam układ fizyczny i symbol schematyczny. Zwróćmy uwagę na zintegrowaną diodę barierową Schottky'ego w symbolu. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Jednym z urządzeń 650V jest tranzystor z kanałem N TW015N65C o prądzie znamionowym 100A i mocy 342W. Typowe wartości podane w specyfikacji to: pojemność wejściowa (C_ISS) wynosząca 4850pF, niski ładunek wejściowy bramki (Q_g) równy 128nC oraz nominalna rezystancja R_DS(on) zaledwie 15mΩ.

Wraz z tabelami wartości minimalnych, typowych i maksymalnych dla parametrów statycznych i dynamicznych, arkusz danych zawiera wykresy ukazujące zachowanie krytycznych parametrów względem takich czynników, jak temperatura, prąd drenu oraz napięcie bramka-źródło (V_GS). Ilustracja 7 ukazuje przykładowe wartości rezystancji R_DS(on) w relacji do temperatury, prądu (I_D) oraz napięcia bramka-źródło V_GS.

Ilustracja 7: wykresy charakteryzujące rezystancję w stanie włączenia urządzenia TWO15N65C dla różnych czynników, takich jak prąd drenu, temperatura otoczenia i napięcie V_GS. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Ilustracja 8 ukazuje ten sam zbiór specyfikacji i wykresów dla urządzeń 1200V, takich jak TW140N120C z kanałem N 20A, 107W. Ten tranzystor SiC MOSFET charakteryzuje się niską pojemnością C_ISS wynosząca 6000pF, niskim ładunkiem wejściowym bramki (Q_g) równym 158nC oraz rezystancją R_DS(on) 140mΩ.

Ilustracja 8: wykresy charakteryzujące rezystancję w stanie włączenia urządzenia TW140N120C. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Dostępnych jest dziesięć tranzystorów SiC MOSFET trzeciej generacji firmy Toshiba - pięć na napięcie 650V i pięć na napięcie 1200V. W temperaturze 25°C mają one następujące znamionowe rezystancje w stanie włączenia, prądy i moce:

650V:

• 15mΩ, 100A, 342W (TWO15N65C)
• 27mΩ, 58A, 156W
• 48mΩ, 40A, 132W
• 83mΩ, 30A, 111W
• 107mΩ, 20A, 70W

1200V:

• 15mΩ, 100A, 431W
• 30mΩ, 60A, 249W
• 45mΩ, 40A, 182W
• 60mΩ, 36A, 170W
• 140mΩ, 20A, 107W (TW140N120C)

Podsumowanie

Węglikowo-krzemowe tranzystory MOSFET charakteryzują się znacznie lepszymi krytycznymi parametrami przełączania w porównaniu do urządzeń krzemowych. W porównaniu do poprzednich generacji, trzecia generacja komponentów węglikowo-krzemowych (SiC) charakteryzuje się lepszymi specyfikacjami i współczynnikami dobroci (FoM), wyższą niezawodnością i lepszą charakterystyką wymagań sterownika bramek, a także lepszym zrozumieniem niuansów projektowych. Dzięki użyciu tranzystorów SiC MOSFET projektanci systemów zasilania dysponują możliwościami uzyskania wyższych sprawności, mniejszych rozmiarów oraz lepszych ogólnych parametrów działania.