Jak používat tranzistory MOSFET na bázi karbidu křemíku třetí generace v návrzích napájení k docílení vyššího výkonu a efektivity

Neustále se usiluje o vyšší efektivitu, menší rozměry a vylepšený výkon v aplikacích napájení, jako jsou ovladače průmyslových motorů, AC/DC a DC/DC invertory/převodníky, nabíječky baterií a systémy skladování energie. Tyto agresivní požadavky na výkon překonaly možnosti křemíkových (Si) tranzistorů MOSFET a přinesly novější architektury tranzistorů založené na karbidu křemíku (SiC).

I když tato novější zařízení nabízela významné výhody v klíčových výkonnostních ukazatelích, konstruktéři museli použití zařízení s karbidem křemíku první generace kvůli různým omezením a nejistotám při použití dobře zvažovat. Zařízení druhé generace přinesla vylepšené specifikace spolu s lepším pochopením drobných detailů zařízení. Se zvyšujícím se výkonem tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku a sílícím tlakem na dobu do uvedení na trh používali konstruktéři tato novější zařízení ke splnění výrobních cílů. V poslední době se ukazuje vyspělost výkonových zařízení na bázi karbidu křemíku u zařízení třetí generace. Tato zařízení poskytují uživatelům vylepšení ve všech klíčových parametrech a zároveň staví na zkušenostech s návrhem a souvisejících odborných znalostech předchozích generací.

V tomto článku je porovnán křemík s karbidem křemíku a poté je zde pojednáno o vývoji a migraci na tranzistory MOSFET s karbidem křemíku třetí generace. Poté jsou zde uvedeny příklady z reálného světa od společnosti Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba), abychom si ukázali, jak mohou tato zařízení pomoci konstruktérům dosáhnout významného pokroku v návrhu napájecího systému.

Křemík versus karbid křemíku

V posledních desetiletích změnil tranzistor MOSFET na bázi křemíku návrh napájecích systémů od základních zdrojů a invertorů až po motorové pohony. Spolu s bipolárním tranzistorem s izolovaným hradlem („insulated gate bipolar transistor“, IGBT) – funkčně podobným polovodičem, ale s velmi odlišnou konstrukcí a vlastnostmi – umožnil spínací optimalizovaný křemíkový tranzistor MOSFET přechod od tradičního, neefektivního převodu a správy napájení založených na lineárních topologiích k mnohem efektivnějšímu a kompaktnějšímu přístupu pomocí spínaného řízení.

Většina z těchto návrhů používá formu pulzně šířkové modulace („pulse-width modulation“, PWM) k dodání a udržení požadované hodnoty napětí, proudu nebo výkonu v uspořádání zpětné vazby v uzavřené smyčce. S rostoucím používáním křemíkových tranzistorů MOSFET se zvyšovaly i nároky, které na ně byly kladeny. K tomu, aby tyto tranzistory MOSFET dělaly více a lépe je kromě toho navíc přiměly nové cíle v oblasti účinnosti (mnohé založené na požadavcích norem), trh s elektrickými vozidly a chytřejším řízením motorů, přechod energie na obnovitelné zdroje energie a související systémy skladování energie.

Výsledkem bylo, že značné množství úsilí v oblasti výzkumu a vývoje zlepšilo výkon křemíkových tranzistorů MOSFET, ale výzkumníci si uvědomili, že toto úsilí dosáhlo bodu klesající návratnosti. Naštěstí měli teoretickou alternativu založenou na výkonových spínacích zařízeních, která jako substrát používala karbid křemíku, nikoli samotný křemík.

Proč používat karbid křemíku?

Z různých hluboce fyzikálních důvodů má karbid křemíku tři hlavní elektrické charakteristiky, které se výrazně liší od samotného křemíku, a každá z nich přináší výhody fungování. Kromě toho existují i jiné, jemnější rozdíly (obrázek 1).

Obrázek 1: Přibližné srovnání klíčových materiálních vlastností pevných materiálů z karbidu křemíku (SiC), křemíku (S) a nitridu galia (GaN). (Zdroj obrázku: síť Researchgate)

Tři hlavní charakteristiky jsou:

• Vyšší kritické průrazné napětí elektrického pole přibližně 2,8 MV/cm oproti 0,3 MV/cm, takže provoz při daném jmenovitém napětí je možný s mnohem tenčí vrstvou, což výrazně snižuje odpor v sepnutém stavu odtoku-zdroje (R_DS(on))
• Vyšší tepelná vodivost umožňující vyšší hustotu proudu v ploše průřezu
• Širší zakázaný pás (rozdíl energie v elektronvoltech mezi horní částí valenčního pásu a spodní částí vodivostního pásu v polovodičích a izolátorech), což má za následek nižší svodový proud při vysokých teplotách Z tohoto důvodu se diody a tranzistory řízené elektrickým polem („field effect transistor“, FET) na bázi karbidu křemíku často označují jako širokopásmová („wide bandgap“, WBG) zařízení.

Výsledkem je, že zařízení na bázi karbidu křemíku mohou blokovat napětí až desetkrát vyšší než provedení s pouze křemíkem, mohou spínat asi desetkrát rychleji a mají R_DS(on) poloviční nebo menší při 25 °C při použití stejné plochy matrice (všechny údaje jsou samozřejmě přibližné). Také ztráta zařízení na bázi karbidu křemíku související s vypínáním je menší, protože nedochází k žádnému škodlivému proudu doznívání. Zároveň jejich schopnost pracovat při mnohem vyšších teplotách, zhruba 200 °C oproti 125 °C, usnadňuje problémy s tepelným provedením a tepelnou regulací.

Díky svým výkonnostním vlastnostem a pokrokům nyní zařízení s karbidem křemíku zaujala přední místo v matrici aplikací výkon vs. rychlost a přidala se k tranzistorům IGBT, křemíkovým tranzistorům MOSFET a zařízením s GaN (obrázek 2).

Obrázek 2: Díky svým výkonovým vlastnostem jsou tranzistory MOSFET na bázi karbidu křemíku vhodné pro širokou škálu aplikací zahrnujících rozpětí výkonových a frekvenčních jmenovitých hodnot. (Zdroj obrázku: společnost Toshiba)

Cesta od základní vědy o materiálech z karbidu křemíku a fyziky zařízení ke komerčním tranzistorům MOSFET na bázi karbidu křemíku nebyla rychlá ani snadná (obrázek 3). Po rozsáhlém výzkumu a výrobním úsilí byla v roce 2001 představena první zařízení na bázi karbidu křemíku – Schottkyho diody. V následujících dvou desetiletích byly v oboru vyvinuty a uvedeny na trh výrobní objemy první, druhé a třetí generace tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku. Každá z generací nabízí cílená vylepšení konkrétních parametrů spolu s poněkud odlišnými kompromisy.

Obrázek 3: Příběh komerčních zařízení na bázi karbidu křemíku začíná prvními komerčními Schottkyho diodami s karbidem křemíku, které se objevily v roce 2001. (Zdroj obrázku: magazín IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Povšimněte si, že je důležité mít jasno v terminologii: stejně jako jejich předchůdci s pouze křemíkem jsou tranzistory FET na bázi karbidu křemíku tranzistory MOSFET. V širším smyslu jsou jejich vnitřní fyzické struktury podobné a oba jsou třívývodová zařízení se zdrojem, odtokem a hradlem. Rozdíl spočívá již v jejich názvech: tranzistory FET na bázi karbidu křemíku používají jako základní materiál karbid křemíku namísto samotného křemíku.

Začátky s první a druhou generací

Existuje mnoho parametrů, které charakterizují výkon spínacího zařízení. K mnoha statickým parametrům patří maximální provozní napětí a maximální jmenovitý proud spolu se dvěma statickými faktory výhodnosti („Figures of Merit“, FoM): R_DS(on) a maximální provozní teplotou, která souvisí se schopností zpracovávat výkon pro danou velikost matrice a pouzdro.

Vzhledem k tomu, že se jedná o spínací zařízení, jsou kriticky důležité také dynamické parametry, protože jsou potřebné pro posouzení spínacích ztrát. Nejcitovanější dynamický faktor FoM je výsledkem R_DS(on) a náboje hradla, R_DS(on) × Q_g, zatímco na důležitosti nabývá náboj zpětného zotavení, Q_rr. Tyto faktory FoM primárně určují dimenzování a možnosti hradlového budiče potřebné ke správnému dodávání a odebírání proudu do spínacího zařízení – a to bez překmitů, kmitání nebo jiného zkreslení.

Používání zařízení s karbidem křemíku první generace a jejich růst na trhu brzdily problémy se spolehlivostí. Jeden z nich se týkal diod PN, které jsou umístěny mezi zdrojem a odtokem napájení výkonového tranzistoru MOSFET. Napětí přivedené na diodu PN ji zaktivuje, což má za následek změnu odporu v sepnutém stavu, který snižuje spolehlivost zařízení.

V druhé generaci od společnosti Toshiba byla upravena základní struktura zařízení s karbidem křemíku pomocí Schottkyho bariérové diody („Schottky barrier diode“, SBD) zabudované do tranzistoru MOSFET, což tento problém z velké části vyřešilo (obrázek 4). Spolehlivost se tím zvýšila o více než řád. Nová struktura zabránila aktivaci diody PN umístěním diody SBD paralelně s diodou PN uvnitř buňky. Proud protéká vestavěnou diodou SBD, protože její napětí v sepnutém stavu je nižší než napětí diody PN, čímž se potlačují některé změny v odporu v sepnutém stavu a degradaci spolehlivosti tranzistoru MOSFET.

Obrázek 4: Na rozdíl od typického tranzistoru MOSFET na bázi karbidu křemíku bez vnitřní Schottkyho bariérové diody (SBD) (vlevo) může tranzistor s ní (vpravo) minimalizovat aktivaci parazitní diody PN. (Zdroj obrázku: společnost Toshiba)

Tranzistory MOSFET s vestavěnými diodami SBD se již v praxi používaly, ale pouze v produktech s vysokým napětím, jako jsou 3,3kV zařízení, protože vestavěné diody SBD způsobovaly, že odpor v sepnutém stavu nakonec vzrostl na úroveň, kterou mohou zvládat pouze vysokonapěťové produkty. Společnost Toshiba upravila různé parametry zařízení a zjistila, že klíčem k potlačení zvýšeného odporu v sepnutém stavu je poměr plochy diody SBD v tranzistoru MOSFET. Optimalizací poměru diod SBD navrhla společnost Toshiba 1,2kV třídu tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku s výrazným zlepšením spolehlivosti.

Stejně jako u mnoha jiných vylepšení však došlo také ke kompromisům. Zatímco nová struktura zařízení výrazně zlepšila spolehlivost, měla také nepříznivý vliv na dva faktory FoM. Zvýšil se nominální R_DS(on) stejně jako R_DS(on) × Q_g, což snížilo výkon tranzistoru MOSFET. Ke kompenzaci a snížení odporu v sepnutém stavu zvětšila druhá generace tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku plochu matrice, ale to zvýšilo náklady.

Skutečně vyspělá třetí generace

Společnost Toshiba si tento problém uvědomovala a vyvinula třetí generaci zařízení MOSFET na bázi karbidu křemíku, nazvanou řada TWXXXN65C/TWXXXN120C. U těchto zařízení byla optimalizována struktura vrstvy šířící proud, aby se zmenšila velikost buňky a bylo poskytováno vyšší jmenovité napětí, rychlejší spínání a nižší odpor v sepnutém stavu.

Odpor v sepnutém stavu je částečně snížen zmenšením odporu šíření (R_spread). Proud SBD se zvyšuje vstřikováním dusíku do spodní části široké difúzní oblasti typu P (P jáma) tranzistoru MOSFET na bázi karbidu křemíku. Společnost Toshiba také redukovala oblast JFET a vstříkla dusík, aby se snížila zpětnovazební kapacita a odpor JFET. V důsledku toho byla kapacita zpětné vazby snížena, aniž by se zvýšil odpor v sepnutém stavu. Stabilního provozu bez kolísání odporu v sepnutém stavu se dosáhlo také optimalizovaným umístěním diody SBD.

V současné době se tato řada skládá ze 650V a 1 200V tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku určených pro vysoce výkonné průmyslové aplikace, jako jsou 400V a 800V napájecí zdroje AC/DC, fotovoltaické (PV) měniče a obousměrné DC/DC měniče pro zdroje nepřerušeného napájení („uninterruptible power supplies“, UPS). Jak 650voltový, tak 1 200voltový tranzistor MOSFET na bázi karbidu křemíku se nabízejí v třívodičovém pouzdru TO-247, které je v oboru standardní (obrázek 5).

Obrázek 5: 650voltový a 1 200voltový tranzistor MOSFET na bázi karbidu křemíku třetí generace od společnosti Toshiba, umístěné ve standardním pouzdře T0-247, se dobře hodí pro širokou škálu aplikací pro převod energie, její řízení a správu. (Zdroj obrázku: společnost Toshiba)

V těchto tranzistorech MOSFET na bázi karbidu křemíku třetí generace je faktor FoM R_DS(on) × Q_g ve srovnání se zařízeními Toshiba druhé generace o 80 % nižší, což je významný pokles, zatímco spínací ztráta je nižší asi o 20 %. Technologie vestavěné Schottkyho bariérové diody nabízí také ultra nízké napětí v propustném směru (V_F).

S tranzistory MOSFET jsou spojeny další jemné konstrukční detaily. Jako příklad uveďme V_GSS. V_GSS je maximální napětí, které může být aplikováno mezi hradlem a zdrojem, když se odtok a zdroj zkratují. U zařízení s karbidem křemíku třetí generace je rozsah V_GSS 10 až 25 voltů, přičemž doporučená hodnota je 18 voltů. Široký rozsah V_GSS pomáhá usnadnit návrh a zároveň zlepšit spolehlivost návrhu.

Dále nízký odpor a vyšší prahové napětí hradla (V_GS(th)) – napětí, při kterém začíná kanál tranzistoru MOSFET vést – pomáhají předcházet poruchám, jako je náhodné zapnutí v důsledku špiček, poruch a překmitů. Toto napětí se pohybuje od 3,0 do 5,0 voltů, což pomáhá zajistit předvídatelný spínací výkon s minimálním driftem a zároveň umožňuje jednoduchou konstrukci hradlového budiče.

Bližší pohled na 650V a 1 200V tranzistory MOSFET na bázi karbidu křemíku třetí generace

Pohled na dvě zařízení na opačných koncích spektra řady, na 650V a 1 200V model, ukazuje rozpětí jejich možností. Fyzické pouzdro, zapojení a schematický symbol jsou pro všechny z nich stejné (obrázek 6), ale technické údaje se liší.

Obrázek 6: Všechny členy řady tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku třetí generace společnosti Toshiba mají stejné fyzické uspořádání a schematický symbol. V symbolu si povšimněte integrální Schottkyho bariérové diody. (Zdroj obrázku: společnost Toshiba)

Jedním ze 650voltových zařízení je model TW015N65C, N-kanálové zařízení se jmenovitými hodnotami 100 A a 342 W. Jeho typické hodnoty specifikace jsou vstupní kapacita (C_ISS) 4 850 pF, nízký vstupní náboj hradla (Q_g) 128 nC a jmenovitý odpor R_DS(on) pouhých 15 mΩ.

Spolu s tabulkami minimálních, typických a maximálních hodnot pro statické a dynamické parametry obsahuje katalogový list grafy, které ukazují výkon kritických parametrů v porovnání s faktory, jako je teplota, odtokový proud a napětí hradlo-zdroj (V_GS). Na obrázku 7 je například uvedena hodnota R_DS(on) v porovnání s teplotou, odtokovým proudem (I_D) a napětím hradlo-zdroj V_GS.

Obrázek 7: Uvedeny jsou zde grafy, které charakterizují odpor v sepnutém stavu modelu TWO15N65C z různých perspektiv, včetně odtokového proudu, okolní teploty a V_GS. (Zdroj obrázku: společnost Toshiba)

Stejná sada specifikací a grafů je na obrázku 8 uvedena pro 1 200V zařízení, jako je např. model TW140N120C – 20A, 107W, N-kanálové zařízení. Tento tranzistor MOSFET na bázi karbidu křemíku se vyznačuje nízkou C_ISS 6 000 pF, vstupním nábojem hradla (Q_g) 158 nC a R_DS(on) 140 mΩ.

Obrázek 8: Grafy charakteristiky odporu v sepnutém stavu modelu TW140N120C. (Zdroj obrázku: společnost Toshiba)

Od společnosti Toshiba je k dispozici deset tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku třetí generace, z čehož je pět 650voltových zařízení a pět 1 200voltových zařízení. Při 25 °C mají následující jmenovité hodnoty odporu v sepnutém stavu, proudu a výkonu:

650voltová zařízení:

• 15 mΩ, 100 A, 342 W (model 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

1 200voltová zařízení:

• 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 (model TW140N120C)

Závěr

Tranzistory MOSFET na bázi karbidu křemíku nabízejí ve srovnání se zařízeními obsahujícími pouze křemík významné zlepšení kritických spínacích parametrů. A v porovnání s předchozími generacemi nabízejí součástky s karbidem křemíku třetí generace vylepšené specifikace a faktory FoM, vylepšenou spolehlivost, lepší charakterizaci požadavků hradlového budiče a lepší porozumění nevyhnutelným jemným rozdílům návrhů. Pomocí těchto tranzistorů MOSFET na bázi karbidu křemíku mají konstruktéři napájecích systémů další základní zdroj, který mohou použít k docílení vyšší účinnosti, menší velikosti a lepšího celkového výkonu.