Hur man tillämpar tredje generationens SiC MOSFET:ar i kraftkonstruktioner för högre prestanda och effektivitet

Det finns en obeveklig strävan efter högre effektivitet, mindre storlek och förbättrad prestanda i krafttillämpningar som industriella motordrivenheter, AC/DC- och DC/DC-växelriktare/omvandlare, batteriladdare och energilagringssystem. Dessa aggressiva prestandakrav har passerat förmågan hos MOSFET:ar i kisel (Si) och lett till nyare transistorarkitekturer baserade på kiselkarbid (SiC).

Även om dessa nyare enheter erbjöd betydande fördelar i fråga om viktiga prestandamått, var det klokt av konstruktörerna att vara försiktiga med första generationens SiC-enheter på grund av olika begränsningar och osäkerheter i tillämpningen. Andra generationens enheter medförde förbättrade specifikationer och en bättre förståelse för enheternas finesser. I takt med att prestandan hos SiC MOSFET:ar ökade och pressen på att komma ut på marknaden intensifierades använde konstruktörerna dessa nyare enheter för att uppfylla produktmålen. På senare tid har tredje generationens enheter visat att SiC-baserade kraftkomponenter är mogna. Dessa enheter förser användarna med förbättringar av viktiga parametrar samtidigt som de bygger på de tidigare generationernas erfarenhet och expertis om konstruktionen.

Artikeln jämför kisel (Si) och kiselkarbid (SiC), innan utvecklingen och övergången till tredje generationens SiC MOSFET:ar diskuteras. Därefter presenteras verkliga exempel från Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba) för att visa hur dessa enheter kan hjälpa konstruktörer att uppnå betydande framsteg i konstruktionen av kraftsystem.

Kisel kontra kiselkarbid

Under de senaste årtiondena har den kiselbaserade MOSFET:en förändrat konstruktionen av kraftsystem, från grundläggande spänningsmatningar och växelriktare till motordrivenheter. Tillsammans med den bipolära transistorn med isolerad grind (IGBT) - en funktionellt likartad halvledare men med mycket olika konstruktion och egenskaper - har den switchningsoptimerade Si MOSFET:en möjliggjort en övergång från traditionell, ineffektiv kraftomvandling och kraftstyrning baserad på linjära topologier till en mycket effektivare och kompakt metod med switchad styrning.

De flesta av dessa konstruktioner använder en form av pulsbreddsmodulering (PWM) för att leverera och bibehålla önskad spänning, ström eller effekt i ett återkopplingsarrangemang med en sluten slinga. I takt med en ökad användning av Si MOSFET:ar, ökade även kraven på dem. Dessutom har nya effektivitetsmål (många baserade på bestämmelser), marknader för elfordon och smartare motorstyrning, kraftomvandling för förnybar energi och tillhörande energilagringssystem tvingat dessa MOSFET:ar att göra mer och göra det bättre.

Som ett resultat av detta har en avsevärd mängd FoU-arbete förbättrat prestandan hos kiselbaserade MOSFET:ar, men forskarna insåg att detta arbete började ge avtagande avkastning. Lyckligtvis hade de ett alternativ, i teorin, som byggde på kraftöverföringsanordningar som använde SiC som substrat i stället för enbart kisel.

Varför använda kiselkarbid (SiC)?

Av olika djupgående fysikaliska skäl har SiC tre viktiga elektriska egenskaper som skiljer sig avsevärt från enbart kisel, och var och en av dem ger fördelar vid drift. Det finns även andra, mer subtila skillnader (figur 1).

Figur 1: Ungefärlig jämförelse mellan huvudmaterialets egenskaper för de solida materialen SiC jämfört med Si och galliumnitrid (GaN). (Bildkälla: Researchgate)

De tre viktigaste egenskaperna är:

• Högre kritisk elektrisk fältspänning för genombrytning på cirka 2,8 MV/cm jämfört med 0,3 MV/cm, vilket innebär att driften vid en given spänningsnivå är möjlig med ett mycket tunnare skikt, vilket kraftigt minskar tillslags"-resistansen (RDS_(on)) mellan drain-source.
• Högre termisk konduktivitet, vilket ger högre strömdensitet i tvärsnittsområdet.
• Bredare bandgap (energiskillnaden i elektronvolt mellan valensbandets topp och ledningsbandets botten i halvledare och isolatorer), vilket ger lägre läckström vid höga temperaturer. Därför kallas SiC-dioder och fälteffekttransistorer (FET:ar) ofta för enheter med brett bandgap (WBG).

Detta medför att SiC-baserade enheter kan blockera spänningar som är upp till tio gånger högre än strukturer som enbart består av kisel, de kan switcha cirka tio gånger snabbare och de har en R_DS(on) på hälften eller mindre vid 25 °C, samtidigt som de använder samma yta (alla siffror är förstås ungefärliga). Den avstängningsrelaterade förlusten för SiC-enheter är dessutom mindre eftersom det inte finns någon skadlig eftersläpningsström. Samtidigt gör deras förmåga att klara mycket högre drifttemperaturer – cirka 200 °C, istället för 125 °C, att den termiska konstruktionen och hanteringen blir enklare.

Tack vare deras prestandaegenskaper och framsteg har SiC-enheter nu tagit en framträdande plats i tillämpningsmatrisen för effekt och hastighet, tillsammans med IGBT:er, Si MOSFET:ar och GaN-enheter (figur 2).

Figur 2: Prestandaegenskaperna hos SiC MOSFET:ar gör dem lämpliga i ett brett tillämpningsområde som omfattar ett stort antal effekt- och frekvensvärden. (Bildkälla: Toshiba)

Vägen från den underliggande SiC-materialvetenskapen och enhetens fysikaliska egenskaper till kommersiella SiC-MOSFET:ar var varken snabb eller enkel (figur 3). Efter omfattande forsknings- och produktionsinsatser lanserades de första SiC-baserade enheterna - Schottky-dioder - 2001. Under de två decennierna därefter utvecklade och släppte industrin produktionsvolymer av första, andra och tredje generationens SiC MOSFET:ar. Varje generation erbjuder målinriktade förbättringar av specifika parametrar, med något olika kompromisser.

Figur 3: Historien om kommersiella SiC-baserade enheter börjar med de första kommersiella SiC Schottky-dioderna, som dök upp 2001. (Bildkälla: IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Det är viktigt att vara tydlig med terminologin: precis som sina föregångare som endast består av kisel är SiC-baserade FET:ar MOSFET:ar. I en vidare bemärkelse har de en likadan inre fysisk struktur, med en anslutning för source, drain och gate. Skillnaden är, vilket framgår av benämningen, att SiC-baserade FET:ar använder kiselkarbid som basmateral istället för enbart kisel.

Börja med första och andra generationen

Det finns många parametrar som kännetecknar en switchningsanordnings prestanda. Bland de många statiska parametrarna finns den maximala driftsspänningen och den maximala strömstyrkan, tillsammans med två godhetstal: RDS_(on) och den maximala driftstemperaturen, som är relaterade till effekthanteringskapaciteten för en viss kretsstorlek och kapsling.

Som för switchningsenheter, är dynamiska parametrar också kritiska eftersom de behövs för att bedöma switchningsförlusterna. Det mest citerade dynamiska godhetstalet är produkten av RDS_(on) och gate-laddningen, R_DS(on) × Q_g, medan en allt viktigare faktor är den omvända återhämtningsladdningen, Q_rr. Dimensioneringen och kapaciteten hos den gatedrivkrets som behövs för att korrekt ge och ta emot ström till switchningsenheten - och göra det utan översläng, ringning eller andra störningar - bestäms i första hand av dessa godhetstal.

Användningen och marknadstillväxten för första generationens SiC-enheter har hindrats av tillförlitlighetsproblem. En av dessa är PN-dioder, som placeras mellan source och drain på en MOSFET. Spänningen som läggs på PN-dioden aktiverar den, vilket leder till en förändring av tillslagsresistansen som försämrar enhetens tillförlitlighet.

Toshibas andra generation ändrade den grundläggande strukturen i SiC-enheter genom att använda en inbyggd Schottky-barriärdiod (SBD) i MOSFET:en för att till stor del lösa detta problem (figur 4). Detta förbättrade tillförlitligheten i mycket stor utsträckning. Den nya strukturen förhindrade att PN-dioden fick ström genom att SBD:en placerades parallellt med PN-dioden i cellen. Strömmen flyter genom den inbyggda SBD:en eftersom dess spänning i påslaget tillstånd är lägre än PN-diodens, vilket dämpar vissa förändringar i tillslagsresistansen och försämringen av MOSFET:ens tillförlitlighet.

Figur 4: Till skillnad från den typiska SiC MOSFET:en utan intern Schottky-barriärdiod (SBD) (vänster) kan den med SBD (höger) minimera aktiveringen av den parasitära PN-dioden. (Bildkälla: Toshiba)

MOSFET:ar med inbyggda SBD:er användes redan i praktiken, men endast i högspänningsprodukter, t.ex. enheter på 3,3 kV, eftersom den inbyggda SBD:en gjorde att tillslagsmotståndet så småningom steg till en nivå som endast högspänningsprodukter kan tolerera. Toshiba justerade olika enhetsparametrar och kom fram till att förhållandet mellan SBD-ytan i en MOSFET är nyckeln till att dämpa den ökade tillslagsresistansen. Genom att optimera SBD-förhållandet har Toshiba utvecklat en SiC MOSFET i 1,2 kV-klassen med en förbättrad tillförlitlighet.

Men som med så många förbättringar finns det även kompromisser. Även om den nya konstruktionen förbättrade tillförlitligheten avsevärt, hade den också en negativ effekt på två godhetstal. Det ökade den nominella R_DS(on) likväl som R_DS(on) × Q_g, vilket minskade MOSFET:ens prestanda. För att kompensera och minska tillslagsresistansen hade andra generationens SiC MOSFET:ar en större yta, men detta ökade kostnaden.

Tredje generationen visar sann mognad

Toshiba tog hänsyn till detta och utvecklade en tredje generation SiC MOSFET-enheter, som kallas TWXXXN65C/TWXXXN120C-familjen. Enheterna optimerade strukturen för det strömspridande skiktet för att minska cellstorleken och även ge en högre märkspänning, snabbare switchning och lägre tillslagsresistans.

Tillslagsresistansen sänks delvis genom att minska det utbredda motståndet (R_spread). SBD-strömmen ökas genom att kväve sprutas in i botten av det breda spridningsområdet av P-typ (P-well) i SiC MOSFET:en. Toshiba minskade även JFET-området och injicerade kväve för att minska återkopplingskapacitansen och JFET-resistansen. Detta medförde minskad återkopplingskapacitans utan att öka tillslagsresistansen. Stabil drift utan fluktueringar i tillslagsresistansen uppnåddes också genom optimerad placering av SBD:n.

Familjen består för närvarande av SiC MOSFET:ar på 650 och 1200 V som är utformade för industriella tillämpningar med hög effekt, t.ex. växel- och likströmsaggregat på 400 och 800 V, fotovoltaiska växelriktare och dubbelriktade DC/DC-omvandlare för avbrottsfri strömförsörjning (UPS). De båda SiC MOSFET:arna på 650 och 1200 V finns i den branschstandardiserade TO-247-kapslingen med tre stift (figur 5).

Figur 5: Toshibas SiC MOSFET:ar på 650 och 1200 V i tredje generationen, som är inrymda i en standard T0-247-kapsling, är väl lämpade för en stor mängd tillämpningar för kraftomvandling, styrning och hantering. (Bildkälla: Toshiba)

I dessa SiC MOSFET:ar i tredje generationen, har godhetstalet R_DS(on) × Q_g minskat med 80 % jämfört med Toshibas enheter i andra generationen - en betydande minskning - medan kopplingsförlusten har minskat med cirka 20 %. Tekniken med inbyggd Schottky-barriärdiod ger också extremt låg framspänning (V_F).

Det finns andra finesser i konstruktionen som är förknippade med MOSFET:ar. Ta exempelvis V_GSS. V_GSS är den maximala spänning som kan appliceras mellan gate och source medan drain och source är kortslutna. För tredje generationens SiC-enheter är V_GSS-området 10-25 V, med 18 V som rekommenderat värde. De breda V_GSS-klassificeringarna underlättar konstruktionen samtidigt som de förbättrar tillförlitligheten.

Det låga motståndet och en högre gränsspänning för gaten (V_GS(th))—spänning vid vilken MOSFET-kanalen börjar leda– gör det dessutom lättare att förhindra funktionsstörningar, såsom oavsiktliga tillslag på grund av spänningstoppar, spänningsfall och översläng. Spänningsområdet från 3 till 5 V, bidrar till att säkerställa förutsägbara switchningsegenskaper med minimal drift samtidigt som det möjliggör en enkel konstruktion av gatedrivkretsen.

En närmare titt på SiC MOSFET:ar för 650 och 1200 V i tredje generationen

En titt på två apparater i motsatta ändar av familjespektrumet, enheter med 650 och 1200 V, visar hur stor spännvidd egenskaperna har. Den fysiska kapslingen, stiftlayout och den schematiska symbolen för dem alla är densamma (figur 6), men detaljerna skiljer sig åt.

Figur 6: Alla medlemmar av Toshibas SiC MOSFET-familj i tredje generationen, har samma fysiska arrangemang och schematiska symbol, observera den integrerade Schottky-barriärdioden i symbolen. (Bildkälla: Toshiba)

En enhet för 650 V är TW015N65C, en N-kanalsenhet med en kapacitet på 100 A och 342 W. De typiska specifikationsvärdena är en ingångskapacitans (C_ISS) på 4 850 pF, en låg ingångsladdning (Q_g) på 128 nC och en nominell R_DS(on) på endast 15 mΩ.

Tillsammans med tabeller med minimala, typiska och maximala värden för statiska och dynamiska parametrar har databladet diagram som visar prestanda för kritiska parametrar i förhållande till faktorer som temperatur, drain-ström och gate-source-spänning (V_GS). Värdet för R_DS(on) visas exempelvis, jämfört med temperatur, drain-ström (_ID) och gate-source-spänning V_GS i figur 7.

Figur 7: Här visas diagram som karakteriserar tillslagsresistansen för TWO15N65C från olika perspektiv, inklusive drain-ström, omgivningstemperatur och V_GS. (Bildkälla: Toshiba)

Samma uppsättning specifikationer och diagram visas i figur 8 för enheterna med 1200 V, t.ex. TW140N120C, en N-kanalsenhet på 20 A och 107 W. Denna SiC MOSTFET har en låg C_ISS på 6000 pF, en gate-ingångsladdning (Q_g) på 158 nC och en nominell R_DS(on) på 140 mΩ.

Figur 8: Diagram för karakteristiken för tillslagsresistans i TW140N120C. (Bildkälla: Toshiba)

De tio tillgängliga SiC MOSFET:arna i tredje generationen från Toshiba omfattar fem enheter på 650 V och fem enheter på 1200 V. Vid 25 °C har de följande tillslagsresistans, ström- och effektvärden:

650 V:

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

1200 V:

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

Sammanfattning

MOSFET:ar av kiselkarbid ger en betydande förbättring av kritiska switchningsparametrar i förhållande till enheter som enbart består av kisel. Jämfört med tidigare generationer erbjuder tredje generationens SiC-komponenter förbättrade specifikationer och godhetstal, ökad tillförlitlighet, bättre karakterisering av krav på gatedrivkretsen och större insikt i oundvikliga finesser vid konstruktion. Med hjälp av dessa SiC MOSFET:ar har konstruktörer av kraftsystem ytterligare en huvudresurs som de kan använda för att uppnå högre effektivitet, mindre storlek och förbättrad total prestanda.