Компромиссы для конкретных приложений для технологий переключателей мощности WBG SIC, GaN и High End SI

Привет всем, я Саумитра Ягдейл. Добро пожаловать в новый пост сегодня.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Конкурентная ситуация в устройствах коммутации мощности

Ⅱ. БТИЗ

Ⅲ. SiC полевые транзисторы

Ⅳ. GaN HEMT

Ⅴ. Заключение

В условиях, когда полупроводниковые технологии меняются каждый день, SiC-FET (MOSFET) и боковые GaN-HEMT остаются одними из наиболее важных устройств для технологий переключения мощности. Благодаря недавним достижениям в этой области SiC и GaN сыграли огромную роль в повышении производительности силовых устройств и схем, предназначенных для приложений с высокой мощностью. Кроме того, эти устройства продемонстрировали более высокую эффективность при значительном снижении затрат на производство и внедрение.

SiC-FET (MOSFET) и боковые GaN-HEMT — два таких компонента, которые имеют значительные достижения в секторе силовых полупроводников. По сравнению с традиционными пластинами SiC, пластины GaN могут работать в аналогичных средах со значительно меньшим количеством отказов с точки зрения прочности и снижения напряжения. Все силовые полупроводниковые устройства работают при напряжении от 600 до 1200 В, поэтому устройства на основе SiC и GaN, такие как JFET, MOSFET и IGBT, значительно улучшились в этом диапазоне напряжений.

Ⅰ. Конкурентная ситуация в устройствах коммутации мощности

Рис. 1 Тенденции развития RDS в xA.

На рис. 1 показано значение сопротивления открытого состояния между стоком и истоком (RDS,on), идеальное для нескольких МОП-транзисторов, включая такие, как семейство МОП-транзисторов Infineon CoolMOS. Современные концепции SiC-переключателей обещают снижение сопротивления в открытом состоянии в 5 раз, но, к сожалению, это компенсируется высокими затратами на площадь SiC для устройств на 650 В. Идеальное значение сопротивления в открытом состоянии составляет 1 Ом/мм², и для достижения этого значения шаг элемента уменьшается за счет точности компенсации. Наблюдения в ходе эксперимента показали, что энергия, запасенная в выходной емкости или значениях Eoss недавно разработанных устройств, уменьшается в два раза, что делает их более близкими к значениям SiC и GaN.

Ⅱ. БТИЗ

Используя локальную плотность плазмы, плотность мощности IGBT номиналом 650–1700 В улучшается и модернизируется для повышения эффективности. Во многих случаях работа этих устройств блокируется из-за высокого результирующего тока и связанной с этим низкой достоверности короткого замыкания. Это кажется ограничением, но его можно устранить с помощью правильной диффузионной пайки, спекания и использования более толстого силового металла на передней стороне, действующего в качестве временного теплоотвода. Еще одним недостатком IGBT является отсутствие встроенного обратного диода , что подразумевает нулевое обратное проводящее напряжение. Как следствие этого, IGBT всегда предпочтительнее всех других технологий силовых переключателей. К сожалению, несмотря на все текущие улучшения, переключатели WBG обеспечивают 1/10 потерь переключения тогда и только тогда, когда dV/it велико, а сборка менее индуктивна.

Рис. 2(а) Сравнение энергии, запасенной в выходной емкости. Рис. 2 (б): Сравнение заряда, хранящегося в выходной емкости.

Кроме того, поскольку все потери IGBT биполярны, такие устройства всегда зависят от температуры из-за постоянного увеличения неосновных носителей. Это приводит к увеличению температурных проблем до 40-50 процентов. Кроме того, IGBT обратной проводимости считается активным управлением затвором, которое уменьшает плотность неосновных носителей перед выключением диода. Следовательно, эта выгода зависит от соотношения статических и динамических потерь, которые могут представлять собой градиенты dI/dt или dv/dt.

Ⅲ. SiC полевые транзисторы

Рис. 3. Обратная проводимость в IGBT с использованием свободного диода.

Ⅳ. GaN HEMT

GaN (нитрид галлия) имеет большее преимущество, чем SiC, но в то же время его сложнее кристаллизовать и обрабатывать, чем SiC. Технология HEMT формирует элементы только на поверхности подложки, на которой выращиваются кристаллы GaN. GaN HEMT отличаются от других тем, что у них очень низкие затворы и нулевые потери на восстановление, а в других они демонстрируют разрушительные пробои, а не лавины. Эти устройства основаны на выращивании n-гетероэпитаксиальных материалов с низкими Rds, что позволяет обеспечить высокие плотности тока, но им препятствует низкая теплоемкость. Потери переключения, возникающие в GaN HEMT, не зависят от температуры, поскольку это чисто емкостные потери, аналогичные потерям MOSFET. GaN HEMT приводит к риску теплового разгона, вызывающего повреждение, а также возможность короткого замыкания. Это используется в приводах, PFC после отключения переменного тока.

Ⅴ. Заключение

Рис. 4. Анализ технологий и параметров производительности, связанных с технологиями переключения мощности.

В приведенной выше таблице показаны различные устройства с указанием их диапазонов напряжения и соответствующих характеристик.

IGBT на основе SiC считаются наиболее подходящими устройствами для диапазонов высоких напряжений 400–6,5 кВ, тогда как HEMT на основе GaN-on-Si считаются наиболее подходящими устройствами для диапазонов высоких напряжений 400–6,5 кВ. Принимая это во внимание, HEMT GaN-on-Si считаются идеальными для диапазонов напряжений 30–600 В. Если оставить в стороне стоимость как критерий, устройства SiC имеют преимущество во всех аспектах. Устройства на основе SiC имеют преимущество работы в диапазоне высоких напряжений без потери своей блокирующей способности.

Вначале это стало возможным благодаря доступности недорогих подложек GaN и пластин большего диаметра (150 мм и 200 мм). Тогда GaN позволит перейти на более высокие классы напряжения, превышающие 650 В, в результате чего также будут достигнуты границы технологий SJ и IGBT. Существует несколько способов повысить производительность устройства, но проблема, с которой приходится сталкиваться, заключается в осуществимости этих методов из-за увеличения производственных затрат. В целом, цена на устройства становится более конкурентоспособной, а важность уникальности устройств в конкретных приложениях возрастает. Чтобы повысить эффективность и надежность силовых устройств, необходимо провести дополнительные исследования и разработки различных материалов, используемых в силовых полупроводниковых технологиях.