Внедрение SiC MOSFET приобретает массовый характер

Компания Infineon предлагает богатый выбор силовых карбид-кремниевых транзисторов семейства CoolSiC™ и специализированные драйверы, которые могут быть использованы в самых различных приложениях, таких, например, как инверторы солнечных батарей, источники бесперебойного питания (ИБП), приводы электродвигателей, системы заряда аккумуляторов и системы хранения энергии
644
В избранное

infin.png (829 b)Компания Infineon предлагает богатый выбор силовых карбид-кремниевых транзисторов семейства CoolSiC и специализированные драйверы, которые могут быть использованы в самых различных приложениях, таких, например, как инверторы солнечных батарей, источники бесперебойного питания (ИБП), приводы электродвигателей, системы заряда аккумуляторов и системы хранения энергии.

Как показывает практика, традиционные кремниевые полупроводники не всегда отвечают требованиям современного рынка. Высокие динамические потери в Si-устройствах ограничивают развитие мощных преобразователей из-за невозможности дальнейшего роста эффективности, увеличения плотности мощности, сокращения габаритов, уменьшения количества компонентов, а также снижения стоимости. По этой причине разработчики все чаще используют силовые компоненты на основе карбида кремния (SiC).

Infineon начал выпуск карбид-кремниевых диодов Шоттки с рейтингом напряжений 600 В еще в 2001 году. Далее номенклатура была расширена за счет появления диодов с рейтингом 650…1200 В. Новые поколения приборов обеспечивают повышенную плотность тока и меньший уровень потерь. На настоящий момент число произведенных диодов составляет сотни миллионов штук. Уже более десяти лет совместное использование кремниевых IGBT и SiC-диодов, а также кремниевых МОП-транзисторов является наиболее оптимальным решением с точки зрения эффективности и надежности в целом ряде мощных приложений, начиная от инверторов солнечных батарей и заканчивая корректорами коэффициента мощности. Современные исследования рынка показывают, что SiC-диоды перестали быть экзотикой и перешли в разряд компонентов массового использования [1]. Освоение технологий крупносерийного производства SiC-диодов, опыт мониторинга качества продукции и достижение высоких показателей надежности стали основой для появления карбид-кремниевых МОП-транзисторов. SiC-транзисторы имеют огромный потенциал с точки зрения эффективности при генерации, передаче, распределении и потреблении энергии.

Факторы повышения эффективности

Рассмотрим преимущества карбид-кремниевых МОП-транзисторов на примере трехуровнего инвертора T-типа (three level (3L) T-type topology). Такая топология применяется, когда необходимо обеспечить максимальную эффективность при значительной мощности, например, в инверторах солнечных батарей или в ИБП. На рисунке 1 представлена одна фаза инвертора, построенного с использованием кремниевых IGBT с рейтингами напряжения 650 и 1200 В. В такой схеме максимальная эффективность достигается при частотах коммутации 20…25 кГц [2]. При использовании SiC-транзисторов с напряжением 1200 В уровень потерь оказывается на 80% меньше, чем у кремниевых IGBT (1200 В). Это оказывается возможным благодаря малым значениям паразитных емкостей, низким потерям проводимости при частичной нагрузке и отсутствию токового «хвоста» при выключении. Применение карбид-кремниевых МОП-транзисторов с напряжением 1200 В значительно повышает эффективность и позволяет достигать более высокой выходной мощности при сохранении тех же габаритных размеров преобразователя.

 Сравнение эффективности карбид-кремниевых МОП-транзисторов IMW120R045M1 (1200 В, 45 мОм) и кремниевых IGBT IKW120N120H3 (1200 В, 40 A) при работе в составе трехуровнего инвертора T-типа

Рис. 1. Сравнение эффективности карбид-кремниевых МОП-транзисторов IMW120R045M1 (1200 В, 45 мОм) и кремниевых IGBT IKW120N120H3 (1200 В, 40 A) при работе в составе трехуровнего инвертора T-типа

Из-за высокого уровня динамических потерь в кремниевых силовых приборах дальнейшее увеличение частоты коммутации приводит к быстрому уменьшению эффективности и еще большему ограничению выходной мощности преобразователя. В то же время малые потери SiC-транзисторов позволяют работать с более высокими частотами. При проведении испытаний рабочая частота инвертора с SiC-транзисторами была увеличена в три раза – до 72 кГц, при этом кремниевые диоды на внутренних ключах были заменены на SiC-диоды с рейтингом напряжения 650 В, однако даже после этого его КПД оказался выше, чем при использовании кремниевых ключей, работающих с частотой 24 кГц. Таким образом применение SiC-MOSFET позволяет уменьшить габаритные размеры пассивных компонентов, упростить задачу отвода тепла, снизить вес и стоимость конечного решения.

Другим примером трехфазного преобразователя мощности является система заряда аккумуляторов для электротранспорта. При использовании карбид-кремниевых МОП-транзисторов с рейтингом 1200 В для создания мостового 800 В LLC-преобразователя потребуются четыре силовых ключа (рисунок 2). Если же для этой цели использовать кремниевые МОП-транзисторы с рейтингом напряжения 650 В, то потребуется восемь ключей. Кроме того, применение в данной схеме SiC-транзисторов позволяет уменьшить и число драйверов. Помимо сокращения количества компонентов и места, занимаемого на печатной плате, SiC-ключи обеспечивают повышенную эффективность преобразователя. Объясняется это достаточно просто: при использовании SiC-транзисторов процесс коммутации подразумевает переключение только двух ключей, в то время как при использовании Si-транзисторов, количество переключений увеличивается вдвое. Все это приводит к тому, что карбид-кремниевые МОП-транзисторы позволяют реализовывать высокоэффективные циклы быстрой зарядки аккумуляторов.

Преимущество 1200 В SiC-транзисторов перед 650 В Si-транзисторами при построении трехфазного мостового LLC-преобразователя

Рис. 2. Преимущество 1200 В SiC-транзисторов перед 650 В Si-транзисторами при построении трехфазного мостового LLC-преобразователя

Благодаря сниженным по сравнению с кремниевыми IGBT динамическим потерям SiC-транзисторы во многих случаях позволяют обходиться и более простыми топологиями. На рисунке 3 представлены результаты сравнения двух силовых схем: двухуровневого инвертора на базе SiC MOSFET и рассмотренного выше трехуровнего инвертора T-типа на кремниевых IGBT. Среди преимуществ двухуровневого инвертора можно отметить простую схему управления и меньшее число компонентов. Такое решение применяется в солнечных генераторах, ИБП, электроприводах, зарядных устройствах и системах накопления энергии. Как видно из рисунка 3, несмотря на изменение частоты переключения с 24 кГц на 48 кГц, решение на базе SiC-транзисторов при высокой нагрузке обеспечивает увеличение эффективности на 0,3…0,4% по сравнению с преобразователем на кремниевых ключах, при этом двухуровневый инвертор работает при вдвое большем напряжении (800 В вместо 400 В).

Сравнение эффективности двухуровневого инвертора на SiC-транзисторах (1200 В, 45 мОм, IMW120R045M1) и трехуровневого инвертора на кремниевых IGBT с рейтингом 1200 В и 650 В

Рис. 3. Сравнение эффективности двухуровневого инвертора на SiC-транзисторах (1200 В, 45 мОм, IMW120R045M1) и трехуровневого инвертора на кремниевых IGBT с рейтингом 1200 В и 650 В

Стоит отметить, что работа с SiC-транзисторами имеет свои особенности. Например, для них типовая скорость изменения напряжения dv/dt составляет 50 В/нс, что значительно выше, чем скорость, характерная для кремниевых IGBT в 5…20 В/нс. Это приводит к увеличению мощности потерь из-за наличия паразитных емкостей, образованных печатной платой. Например, при переходе от трехуровневого инвертора на кремниевых ключах к двухуровневому инвертору, использующему SiC-транзисторы, паразитная емкость будет приводить к восьмикратному росту потерь при удвоении рабочего напряжения и частоты коммутаций. Для демонстрации этого на рисунке 3 показана исходная зависимость КПД двухуровневого инвертора, а также рост КПД после оптимизации компоновки печатной платы [2]. Вторая особенность, которую следует учитывать, связана с ростом потерь в сердечнике индуктивности при увеличении частоты коммутации. Оптимизация сердечника позволяет значительно повысить КПД в области малых нагрузок. Как видно из графика, оптимизация платы и сердечника позволила двухуровневому инвертору превзойти показатели КПД трехуровневого инвертора и превысить отметку в 98,5%. Данный пример говорит о том, что карбид-кремниевые МОП-транзисторы не всегда могут обеспечить лучшие результаты при прямой замене кремниевых силовых ключей. То есть, для достижения высокой эффективности придется приложить некоторые усилия. Разрабатывая транзисторы семейства CoolSiC™, компания Infineon старалась максимально упростить их дальнейшее использование.

Вопросы совместимости

Наиболее важный вопрос совместимости касается схемы управления затвором. Дело в том, что изначально карбид-кремниевые МОП-транзисторы требовали более высокого управляющего напряжения «затвор-исток», чем кремниевые IGBT или MOSFET. В то же время SiC-транзисторы имели малое пороговое напряжение, из-за чего они оказывались чувствительными к паразитным включениям вследствие высоких скоростей переключения dv/dt. Это становилось большой проблемой для разработчиков. Новая trench-технология, используемая в семействе CoolSiC™ от Infineon, позволяет новым SiC-транзисторам работать с такими же управляющими сигналами, как и у кремниевых IGBT. Для них рабочее напряжение включения составляет +15 В, а пороговое напряжение – 4 В. Запаса напряжения 4 В оказывается достаточно для надежного запирания транзистора в выключенном состоянии даже при наличии шумов.

Для того чтобы полностью реализовать потенциал SiC MOSFET, необходимо подбирать оптимальные драйверы. Драйверы для карбид-кремниевых МОП-транзисторов должны обеспечивать dv/dt до 50 В/нс (или даже больше) и высокую частоту переключений, что приводит к значительному ужесточению требований к временным параметрам и их согласованию. Силовым SiC-транзисторам также может потребоваться отрицательное запирающее напряжение затвора, особенно если речь идет о приложениях с жесткими переключениями. Интеллектуальные драйверы семейства EiceDRIVER™ производства Infineon хорошо подходят для работы с SiC-транзисторами. В зависимости от требований конкретного приложения разработчики могут выбрать модель драйвера с оптимальными характеристиками и функционалом [3]:

  • с точным согласованием задержки распространения;
  • со встроенными прецизионными входными фильтрами;
  • с широким диапазоном рабочих напряжений;
  • с возможностью формирования отрицательных запирающих напряжений затвора;
  • с подавлением эффекта Миллера;
  • с повышенной устойчивостью к синфазным переходным процессам (CMTI).

Вопросы надежности

Надежность SiC-компонентов тесно связана с успехами, достигнутыми в традиционных кремниевых технологиях. Огромный производственный опыт Infineon и четкое понимание ожиданий рынка позволили определить жесткие требования к продуктам CoolSiC™. Карбид кремния является отличным силовым полупроводником, однако при использовании этого нового материала необходимо решить целый ряд технологических проблем для нахождения оптимального соотношения между электрической эффективностью и надежностью.

При создании карбид-кремниевых планарных МОП-транзисторов главной задачей становится нахождение компромисса между сопротивлением открытого канала и надежностью формирования оксидного слоя изолированного затвора. Другими словами, здесь требуется решить, что важнее – стоимость транзистора, его эффективность или надежность. Плотность дефектов на границе SiC-SiO2 очень велика в 4H-SiC, что приводит к рассеянию электронов в канале транзистора и тем самым к уменьшению их подвижности. В данном случае уменьшение эффективности происходит из-за роста сопротивления открытого канала, что приводит к увеличению статических потерь во включенном состоянии. При этом единственным способом получения минимального сопротивления при заданной толщине оксида остается использование повышенных напряжений «затвор-исток». Для транзисторов, выполненных по trench-технологии, толщина оксида вокруг изолированного затвора может быть значительно меньше, так как в данном случае используется вертикальный интерфейс SiC-SiO2, для которого характерна более низкая плотность дефектов, чем у планарного интерфейса.

Стоит отметить, что применение trench-структуры имеет свои сложности, в частности, на углах затворного колодца наблюдается значительное электрическое поле. При этом конструктивные меры для уменьшения поля оказываются более сложными, чем в планарных транзисторах. Основной способ уменьшения электрического поля заключается в несимметричном расположении затворного колодца в структуре CoolSiC™ [6] (рисунок 4). При этом большая часть нижней поверхности оксида располагается над высоколегированной p+-областью. Такое решение значительно увеличивает надежность. Расчеты показывают, что при работе в течение 20 лет с управляющим напряжением +15 В прогнозируемая частота отказов, включая внешние дефекты, составляет всего 0,2 ppm [4, 5].

Структура карбид-кремниевых МОП-транзисторов семейства CoolSiC™

Рис. 4. Структура карбид-кремниевых МОП-транзисторов семейства CoolSiC™

Еще одной проблемой карбид-кремниевых МОП-транзисторов долгое время оставалась недостаточная стабильность порогового напряжения. Хорошо отлаженная МОП-технология является залогом малого и хорошо прогнозируемого дрейфа [6].

Как можно видеть на рисунке 4, в структуре транзистора присутствует большая p-область, которая совместно с n-слоем стока образует быстродействующий обратный диод. Наличие встроенного диода является огромным достоинством карбид-кремниевых МОП-транзисторов, так как во многих приложениях это позволяет отказаться от дополнительных внешних SiC-диодов Шоттки. Встроенный диод отличается высокой коммутирующей способностью и малым зарядом обратного восстановления [5].

Обратный диод обеспечивает надежную работу МОП-транзисторов CoolSiC™ в течение долгого времени. Это подтверждается испытаниями на устойчивость к токовым нагрузкам (рисунок 5). После тестирования было отмечено минимальное изменение сопротивления и прямого падения напряжения, что говорит о высокой надежности встроенного диода и его готовности к дальнейшей эксплуатации.

 Результаты тестирования встроенного диода CoolSiC™. Условия испытаний: VGS = -9 В, 20 А (на кристалл), Tvj ~ 150°C. Значения VF и RDSon спустя более 100 часов испытаний

Рис. 5. Результаты тестирования встроенного диода CoolSiC™. Условия испытаний: VGS = -9 В, 20 А (на кристалл), Tvj ~ 150°C. Значения VF и RDSon спустя более 100 часов испытаний

Компания Infineon в 90-е годы была одним из пионеров в области исследования карбид-кремниевых МОП-транзисторов [9]. Глубокое знание технологических особенностей и наличие хорошо отлаженных кремниевых технологий стали основой для создания транзисторов семейства CoolSiC™. В настоящий момент надежность CoolSiC™ соответствует показателям кремниевых IGBT (рисунок 6).

 Рис. 6. Новая технология CoolSiC™ от Infineon имеет показатели надежности на уровне кремниевых IGBT

Рис. 6. Новая технология CoolSiC™ от Infineon имеет показатели надежности на уровне кремниевых IGBT

Возможности массового производства

Прежде чем принять решение о переходе на SiC-транзисторы, клиенты должны быть уверены, что производитель компонентов сможет обеспечить стабильную поставку высококачественной продукции даже при значительном увеличении спроса. Компания Infineon на протяжении долгих лет демонстрирует высокое качество при выполнении крупносерийного производства Si- и SiC-компонентов, а также сборок и силовых модулей. При этом Infineon постоянно развивает и совершенствует технологии, например, CoolMOS™, TRENCHSTOP™ IGBT и CoolSiC™ Schottky. Опыт компании позволяет вывести на рынок и обеспечить крупное производство CoolSiC™ MOSFET.

Ценовая политика

Исторически одним из факторов, ограничивающим массовое внедрение SiC-компонентов, была их более высокая цена по сравнению с кремниевыми устройствами. Важно понимать, что в обозримом будущем из-за технологических особенностей производства кристаллов стоимость карбид-кремниевых компонентов по-прежнему будет выше. Тем не менее, нельзя не отметить, что на протяжении многих лет цены на SiC-диоды снижались благодаря увеличению объемов производства, повышению эффективности использования кристаллов, освоению более крупных полупроводниковых пластин. Уменьшение стоимости SiC-компонентов привело к увеличению спроса со стороны производителей силовых устройств, для которых кроме цены большое значение имеют показатели мощности и эффективности. В то же время рост популярности мощных преобразователей, использующих транзисторы CoolSiC™, приведет к снижению их конечной стоимости до среднерыночных значений. В дальнейшем это обеспечит еще большее падение цен за счет увеличения объемов производства, что позволит SiC-приложениям стать более доступными, чем кремниевые устройства (рисунке 7).

Динамика ценообразования и потенциал SiC-компонентов и конечных устройств на их основе

Рис. 7. Динамика ценообразования и потенциал SiC-компонентов и конечных устройств на их основе

Заключение

Карбид-кремниевые компоненты CoolSiC™ – очередной шаг к миру «умной энергетики». Использование 1200 В транзисторов CoolSiC™ в современном трехуровневом трехфазном инверторе позволяет повысить эффективность более чем на 0,5%, уменьшить количество компонентов на 50%. При этом даже увеличение частоты коммутации в три раза (до 72 кГц) не мешает обеспечивать более высокий КПД, по сравнению с аналогичной схемой, построенной на базе кремниевых IGBT и работающей с частотой 24 кГц.

SiC-транзисторы CoolSiC™ вместе с драйверами семейства EiceDRIVER™ отвечают всем требованиям современного рынка силовых компонентов. Они позволяют создавать мощные устройства с высокой эффективностью, компактными размерами и весом, простой системой охлаждения, высокой надежностью и привлекательной стоимостью.

Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
FF23MR12W1M1B11BOMA1
FF23MR12W1M1B11BOMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2304388 RND
Доступно: 15 шт. 4200,00
FF23MR12W1M1B11BOMA1 4200,00 от 2 шт. 4200,00 от 3 шт. 4200,00 от 7 шт. 4200,00 от 13 шт. 4200,00
15 шт.
(на складе)
DF23MR12W1M1B11BPSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3038770
Доступно: 4 шт. от 1 шт. от 14604,20
Выбрать
условия
поставки
DF23MR12W1M1B11BPSA1 от 1 шт. от 14604,20
4 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FS45MR12W1M1B11BOMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3038786 ИНФО
Доступно: 5 шт. от 1 шт. от 11694,70
Выбрать
условия
поставки
LOW POWER EASY
FS45MR12W1M1B11BOMA1 от 1 шт. от 11694,70
5 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
FF8MR12W2M1B11BOMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 3154527
Доступно: 2 шт. от 1 шт. от 28208,90
Выбрать
условия
поставки
FF8MR12W2M1B11BOMA1 от 1 шт. от 28208,90
2 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()