Sådan anvendes tredje generation SiC MOSFET'er til strømdesigns med henblik på højere ydeevne og effektivitet

Der er en uophørlig trang til større effektivitet, mindre størrelse og forbedret ydeevne i alle energiapplikationer som f.eks. industrielle motor-drivere, AC/DC- og DC/DC-invertere/konvertere, batteriopladere og energilagringssystemer. Disse aggressive krav til ydeevne har overgået silicium (Si)-MOSFET'ernes kapacitet og har ført til nyere transistorarkitekturer baseret på siliciumcarbid (SiC).

Selv om disse nyere enheder gav betydelige fordele på tværs af vigtige præstationsmålinger, var det klogt af designerne at være forsigtige med første generation af SiC-enheder på grund af forskellige begrænsninger og anvendelsesusikkerheder. Anden generation af enheder gav bedre specifikationer og en bedre forståelse af enhedens finesser. Efterhånden som SiC MOSFET-ydelsen blev forbedret og presset på markedsføringstiden blev intensiveret, brugte designerne disse nyere enheder til at opfylde produktmål For nylig har tredje generation af enheder vist, at SiC-baserede strømforsyningsenheder er modne. Disse enheder giver brugerne forbedringer på alle vigtige parametre, samtidig med at de bygger på de tidligere generationers design-in-erfaring og ekspertise.

I denne artikel sammenlignes Si med SiC, inden udviklingen og overgangen til tredje generation af SiC-MOSFET'er diskuteres. Derefter præsenteres eksempler fra Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba) for at vise, hvordan disse enheder kan hjælpe designere med at opnå betydelige fremskridt i designet af elsystemer.

Silicium versus SiC

I løbet af de seneste årtier har den siliciumbaserede MOSFET ændret designet af strømsystemer lige fra basale forsyninger og invertere til motor-drev. Sammen med den bipolære transistor med isoleret gate (IGBT) - en funktionelt lignende halvleder, men med meget forskellig opbygning og egenskaber - har den koblingsoptimerede Si MOSFET muliggjort en overgang fra traditionel, ineffektiv strømkonvertering og -styring baseret på lineære topologier til en meget mere effektiv og kompakt tilgang ved hjælp af koblet styring.

De fleste af disse konstruktioner anvender en form for pulsbreddemodulation (PWM) til at levere og opretholde den ønskede spænding, strøm eller effektværdi i et lukket feedback-arrangement. Efterhånden som brugen af silicium-MOSFET'er voksede, steg også kravene til dem. Derudover har nye effektivitetsmål (mange baseret på lovkrav), markederne for elektriske køretøjer og smartere motorstyring, strømkonvertering til vedvarende energi og tilhørende energilagringssystemer presset disse MOSFET'er til at yde mere og bedre.

Som følge heraf har en betydelig forsknings- og udviklingsindsats forbedret siliciumbaserede MOSFET'ers ydeevne, men forskerne indså, at denne indsats var ved at nå det punkt, hvor udbyttet var ved at være aftagende. Heldigvis havde de i teorien et alternativ baseret på strømskifteanordninger, der anvendte SiC som substrat i stedet for silicium alene.

Hvorfor bruge SiC?

Af forskellige dybdefysiske årsager har SiC tre vigtige elektriske egenskaber, der adskiller sig væsentligt fra silicium alene, og som hver især giver operationelle fordele; der er også andre, mere subtile forskelle (figur 1).

Figur 1: Nogenlunde sammenligning mellem de vigtigste materialeegenskaber for SiC og faste materialer af Si og galliumnitrid (GaN). (Billedkilde: Researchgate)

De tre vigtigste kendetegn er:

• Højere kritisk elektrisk feltspænding ved nedbrydning på ca. 2,8 megavolt/centimeter (MV/cm) i forhold til 0,3 MV/cm, så drift ved en given spænding er mulig med et meget tyndere lag, hvilket reducerer dræn-source "on"-modstanden (R_DS(on)) betydeligt.
• Højere varmeledningsevne, hvilket giver mulighed for højere strømtæthed i et tværsnitsområde.
• Bredere båndgab (energiforskellen i elektronvolt mellem toppen af valensbåndet og bunden af ledningsbåndet i halvledere og isolatorer), hvilket resulterer i lavere lækstrøm ved høje temperaturer. Derfor kaldes SiC-dioder og FET'er (felteffekttransistorer) ofte for WBG-enheder (wide bandgap).

Som følge heraf kan SiC-baserede enheder blokere spændinger, der er op til ti gange højere end strukturer, der udelukkende består af silicium, de kan skifte ca. ti gange hurtigere, og de har en R_DS(on) på halvdelen eller mindre ved 25 °C, mens de bruger det samme chip-areal (alt sammen omtrentlige tal, naturligvis). Desuden er det slukningsrelaterede tab ved SiC-enheder mindre, fordi der ikke er nogen skadelig efter-trøm. Samtidig gør deres evne til at fungere ved meget højere temperaturer på ca. 200 °C i stedet for 125 °C det lettere at håndtere termiske design- og styringsproblemer.

På grund af deres præstationsegenskaber og fremskridt har SiC-enheder nu indtaget en fremtrædende plads i matrixen for effekt vs. hastighedsapplikationer sammen med IGBT'er, silicium-MOSFET'er og GaN-enheder (figur 2).

Figur 2: SiC MOSFET'ernes egenskaber gør dem velegnede til en bred vifte af applikationer, der omfatter et bredt spektrum af effekt- og frekvensværdier. (Billedkilde: Toshiba)

Vejen fra den underliggende SiC-materialevidenskab og enhedsfysik til kommercielle SiC-MOSFET'er var hverken hurtig eller nem (figur 3). Efter en omfattende forsknings- og produktionsindsats blev de første SiC-baserede enheder, Schottky-dioder, introduceret i 2001. I de to årtier derefter udviklede og frigav industrien produktionsmængder af første, anden og tredje generation af SiC-MOSFET'er. Hver generation giver målrettede forbedringer af specifikke parametre med lidt forskellige kompromiser.

Figur 3: Historien om kommercielle SiC-baserede enheder begynder med de første kommercielle SiC Schottky-dioder, som blev fremstillet i 2001. (Billedkilde: IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Bemærk, at det er vigtigt at være klar over terminologien: Ligesom deres forgængere, der kun består af silicium, er SiC-baserede FET'er MOSFET'er. I bred forstand er deres interne fysiske strukturer ens, og begge er treterminale enheder med source-, drain- og gate-forbindelser. Forskellen er som deres navne antyder: SiC-baserede FETS anvender SiC som grundmateriale i stedet for silicium alene.

Begynd med første og anden generation

Der er mange parametre, der karakteriserer en koblingsanordnings ydeevne. Blandt de mange statiske parametre er den maksimale driftsspænding og den maksimale strømstyrke sammen med to statiske FoM'er (Figures of Merit): R_DS(on) og den maksimale driftstemperatur, som er relateret til den maksimale kapacitet til at håndtere effekt for en given chip-størrelse og -pakning.

Som koblingsanordninger er dynamiske parametre også kritiske, da de er nødvendige for at vurdere koblingstab. Den mest citerede dynamiske FoM er produktet af R_DS(on) og gate-ladningen, R_DS(on) x Q_g, mens en stadig vigtigere er den omvendte genoprettelsesladning, Q_rr. Størrelsen og kapaciteten af den gate driver, der er nødvendig for at kunne levere strøm til koblingsenheden - og gøre det uden overhøjde, ringing eller andre forvrængninger - bestemmes primært af disse FoM'er.

Brugen og markedsvæksten af første generation af SiC-enheder er blevet bremset af pålidelighedsproblemer. En af disse omfatter PN-dioder, som er placeret mellem en power MOSFET's strømkilde og dræn. Spænding, der påføres PN-dioden, aktiverer den, hvilket resulterer i en ændring af on-modstanden, der forringer enhedens pålidelighed.

Toshibas anden generation ændrede den grundlæggende SiC-enhedsstruktur ved at anvende en Schottky-barrierediode (SBD) indlejret i MOSFET'en for i vid udstrækning at løse dette problem (figur 4). Dette forbedrede pålideligheden med mere end en størrelsesorden. Den nye struktur forhindrede aktivering af PN-dioden ved at placere SBD'en parallelt med PN-dioden inde i cellen. Strømmen strømmer gennem den indlejrede SBD, fordi dens spænding i tændt tilstand er lavere end PN-diodens, hvilket undertrykker visse ændringer i tændmodstanden og forringelse af MOSFET'ens pålidelighed.

Figur 4: I modsætning til den typiske SiC MOSFET uden en intern Schottky-barrierediode (SBD) (til venstre) kan den med en SBD (til højre) minimere aktiveringen af den parasitære PN-diode. (Billedkilde: Toshiba)

MOSFET'er med indbyggede SBD'er var allerede i praktisk brug, men kun i højspændingsprodukter - f.eks. 3,3 kilovolt (kV), da den indbyggede SBD med tiden fik tændmodstanden til at stige til et niveau, som kun højspændingsprodukter kan tåle. Toshiba justerede forskellige enhedsparametre og fandt ud af, at forholdet mellem SBD-arealet i en MOSFET er nøglen til at undertrykke den øgede ON-modstand. Ved at optimere SBD-forholdet har Toshiba udviklet en SiC-MOSFET i 1,2 kV-klassen med en bemærkelsesværdig forbedring af pålideligheden.

Men som med mange andre forbedringer var der også kompromiser. Mens den nye enhedsstruktur forbedrede pålideligheden betydeligt, havde den også en skadelig effekt på to FoM'er. Det øgede den nominelle R_DS(on) såvel som R_DS(on) × Q_g, hvilket reducerede MOSFET'ens ydeevne. For at kompensere for og reducere on-modstanden havde anden generation af SiC-MOSFET'er et større die-areal, men dette øgede omkostningerne.

Tredje generation viser ægte modenhed

Toshiba erkendte denne bekymring og udviklede derfor en tredje generation af SiC MOSFET-enheder, kaldet TWXXXN65C/TWXXXN120C-familien. Disse enheder optimerede strukturen af det strømspredende lag for at reducere cellestørrelsen og også levere en højere spænding, hurtigere switching og lavere ON-modstand.

ON-modstanden sænkes delvist ved at reducere spredningsmodstanden (R_spread). SBD-strømmen øges ved at injicere kvælstof i bunden af det brede P-type diffusionsområde (P-well) i SiC-MOSFET'en. Toshiba har også reduceret JFET-området og injiceret kvælstof for at reducere feedbackkapacitansen og JFET-modstanden. Som et resultat heraf blev feedback kapacitansen reduceret uden at øge ON-modstanden. Stabil drift uden udsving i ON-modstanden blev også opnået ved optimeret placering af SBD'en.

På nuværende tidspunkt består familien af 650-volt og 1200-volt SiC MOSFET'er, der er designet til industrielle applikationer med høj effekt, f.eks. 400-volt og 800-volt AC/DC-strømforsyninger, fotovoltaiske (PV) invertere og tovejs DC/DC-konvertere til UPS'er (uninterruptible power supplies). Både 650-volt- og 1200-volt SiC MOSFET'erne tilbydes i den industrielle standard TO-247 pakning med tre ledninger (figur 5).

Figur 5: Toshibas 650 volt- og 1200 volt SiC MOSFET'er af tredje generation, der er placeret i en standard T0-247 pakning, er velegnede til en lang række strømkonverterings-, kontrol- og styringsapplikationer. (Billedkilde: Toshiba)

I disse SiC-MOSFET'er af tredje generation er R_DS(on) × Q_g FoM reduceret med 80 % sammenlignet med Toshibas andengenerationsenheder, et betydeligt fald, mens koblingstabet er reduceret med ca. 20 %. Den indbyggede Schottky-barrierediode teknologi giver også en ultra-lav forward-spænding (V_F).

Der er andre finesser i forbindelse med MOSFET'er. Tag f.eks. V_GSS. V_GSS er den maksimale spænding, der kan påføres mellem gate og source, mens dræn og source er kortsluttet. For tredje generations SiC-enheder er V_GSS-området 10 til 25 volt, med 18 volt som den anbefalede værdi. De brede V_GSS-klassificeringer gør det lettere at designe og forbedrer samtidig designsikkerheden.

Endvidere hjælper den lave modstand og en højere gate tærskelspænding (V_GS(th)) - spænding, ved hvilken MOSFET-kanalen begynder at lede - med at forhindre fejlfunktioner, såsom utilsigtet tænding på grund af spikes, glitches og overskridelser. Denne spænding spænder fra 3,0 til 5,0 volt, hvilket bidrager til at sikre forudsigelig switching-ydelse med minimal drift og samtidig muliggør et simpelt gate-driver design.

Et nærmere kig på 650-volt og 1200-volt SiC MOSFET'er af tredje generation

Et kig på to enheder i hver sin ende af familiespektret, 650-volt- og 1200-volt enhederne, viser, hvor store deres muligheder er. Den fysiske indpakning, benlayout og det skematiske symbol for dem alle er det samme (Figur 6), men de specifikke detaljer er forskellige.

Figur 6: Alle medlemmer af Toshibas tredje generation af SiC MOSFET-familien har samme fysiske placering og skematiske symbol; bemærk den integrerede Schottky-barrierediode i symbolet. (Billedkilde: Toshiba)

En 650-volt enhed er TW015N65C, som er en N-kanalenhed, der er normeret til 100 ampere (A) og 342 watt. Dens typiske specifikationsværdier er en indgangskapacitet (C_ISS) på 4.850 picofarads (pF), en lav gate-indgangsladning (Q_g) på 128 nanocoulombs (nC) og en nominel R_DS(on) på kun 15 milliohms (mΩ).

Sammen med tabeller med minimale, typiske og maksimale tal for statiske og dynamiske parametre indeholder databladet grafer, der viser de kritiske parametres ydeevne i forhold til faktorer som temperatur, drænstrøm og gate-source-spænding (V_GS). For eksempel er værdien af R_DS(on) over for temperatur, drænstrøm (I_D) og gate-source-spænding V_GS, vist i figur 7.

Figur 7: Der vises grafer, der karakteriserer ON-modstanden for TWO15N65C fra forskellige perspektiver, herunder drænstrøm, omgivelsestemperatur og V_GS. (Billedkilde: Toshiba)

Det samme sæt specifikationer og grafer er vist i figur 8 for 1200 volt enheder, såsom TW140N120C, som er en 20 A, 107 watt, N-kanals enhed med 20 A, 107 watt. Denne SiC MOSFET har en lav C_ISS på 6000 pF, en gate-indgangsladning (Q_g) på 158 nanocoulombs (nC) og en R_DS(on) på 140 mΩ.

Figur 8: Karakteriserings diagrammer for on-resistance for TW140N120C. (Billedkilde: Toshiba)

De ti tilgængelige tredje generations Toshiba SiC MOSFET'er af tredje generation omfatter fem 650-volt enheder samt fem 1200-volt-enheder. Ved 25 °C har de følgende værdier for tændmodstand, strøm og effekt:

650 volt:

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

1200 volt:

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

Konklusion

Siliciumcarbid-MOSFET'er giver en betydelig forbedring af de kritiske koblingsparametre i forhold til enheder, der udelukkende består af silicium. Sammenlignet med tidligere generationer tilbyder tredje generations SiC-komponenter forbedrede specifikationer og FoM'er, øget pålidelighed, bedre karakterisering af gate-driver-krav og større indsigt i uundgåelige design-in subtiliteter. Ved hjælp af disse SiC MOSFET'er har designere af strømsystemer en ekstra kerneressource, som de kan bruge til at opnå højere effektivitet, mindre størrelse og forbedret samlet ydeevne.