Cree SiC MOSFET

Cree SiC power MOSFETs möjliggör högre blockeringsspänningar i boostade, högfrekventa DC/DC-omvandlingskretsar för minskad systemstorlek, vikt och kostnad genom ökad effektivitet. De arbetar med switchfrekvenser som är tre gånger snabbare än kiselenheter för snabb switchning.

Guy Moxey, Senior Director of Power products på Wolfspeed, A Cree Company, diskuterar UHAST-resultat för SiC MOSFETs.

Ultralåg motståndskraft vid påslagning

SiC-mosfets har lägre resistans än kiselkretsar och snabbare switchhastigheter, vilket möjliggör högre effekttäthet och förbättrad effektivitet i högspänningsapplikationer. Konstruktörer kan använda dessa kompakta kraftomvandlare för att minimera systemkostnaderna.

När märkspänningen ökar tenderar de kritiska genomslagsfälten (Vbf) för enheterna att minska och deras on-state-resistans (Rds(on)) börjar sjunka på grund av laddningsinjektion och -ackumulering i gateoxiden under strömspänning. Detta fenomen kallas laddningsinjektion/ackumulering i gate-oxid.

På grund av denna lavinspänning bildas sprickor i det dielektriska skiktet i grinden, vilket gör att aluminiumkällmetaller kan diffundera in i dessa sprickor och kortsluta enheten.

Dessa sprickor leder till nedbrytning av kroppsdioder, vilket leder till minskad Vth för SiC MOSFETs när anslutningstemperaturen stiger, samt utarmning av deras begravda kanalområden.

Sprickor i SiC MOSFETs kan undvikas genom högre maximal gate drive-spänning och minskade parasitiska induktanser, men deras tillförlitlighet i tuffa miljöer kräver avancerade förpacknings- och sammankopplingstekniker för att förbättra termiska förhållanden, sänka parasitiska parametrar och eliminera felmoder som påverkar enhetens prestanda - till exempel genererar långa kablar mellan enhetsterminaler parasitiska induktanser som orsakar transienta överspänningar som skadar enheter; de kan till och med orsaka överströmsflöde genom kroppsdioder som i slutändan leder till deras nedbrytning och felmoder som påverkar enhetens prestanda.

Läckström med ultralågt läckage

SiC:s bredare bandgap gör att den kan arbeta vid högre strömmar med tunnare material än andra halvledarkomponenter, vilket minskar on-state-motståndet avsevärt och gör dess switchprestanda överlägsen. Den här kombinationen gör SiC till ett utmärkt val för kraftelektronikapplikationer som kräver hög ström/spänning och samtidigt är kostnadseffektiva per ampere.

En viktig orsak är att P-atomer som tillsatts under efteroxideringen har förbättrat gränssnittet mellan SiC och gateoxid, vilket skapar en barriär mot Fowler-Nordheim-tunnelladdningar från SiC-kiselns lednings- eller valensband in i oxidkanaler, vilket leder till betydligt mindre gate-läckström jämfört med torra och NO-glödgade SiC MOSFET:er.

SiC MOSFETs har också mer motståndskraftiga drain-source PN-junctions jämfört med Si IGBTs när de utsätts för kortslutningsspänning; en 1200 V/12,5 A planar gate MOSFET kan faktiskt motstå upp till fem gånger mer lavinenergi jämfört med en 600V/16A Si IGBT samtidigt som den har ungefär fem gånger mindre die-storlek.

På Cree förstår vi att optimering av en elektronisk komponent innebär att man drar full nytta av dess potential. Det är därför våra SiC-strömförsörjningsenheter är utrustade med verktyg som är utformade för att hjälpa kunderna att utforma säkra och tillförlitliga system som använder dem.

Ultra-låga kopplingsförluster

I takt med att SiC MOSFET:ernas switchförluster minskar kommer de att kunna ersätta kiselkretsar i tillämpningar där hög blockeringsspänning krävs, vilket leder till färre komponenter, mindre förpackningsstorlek och lägre systemkostnader. Dessutom möjliggör högre switchfrekvenser effektivare kraftomvandling och förbättrad maskinstyrningsprestanda för applikationer som DC-DC-omvandlare, PFC- och boost-arkitekturer, industriella motordrifter och ombordladdare för elfordon.

När man använder höghastighets-SiC MOSFET:er i en kretstopologi måste man dock vara mycket försiktig. Snabbt växlande spänningar och strömmar kan öka parasitiska induktanser och kapacitanser i en slinga, vilket kan leda till överspänning eller överhettning. SiC-enheter är mycket snabbare än sina kiselmotsvarigheter med di/di-hastigheter som ökar med en storleksordning, vilket innebär att de kan generera upp till 10 gånger högre toppspänning eller ström vid sina terminaler.

För att hantera dessa utmaningar måste konstruktionen och driften av SiC MOSFET-grinddrivdon optimeras. Detta kan åstadkommas genom att ändra grindmotståndet för att balansera spänningsspikar mot kopplingsförluster; använda induktorer i ingångsmatningen för att undertrycka högfrekventa överföringsförluster som annars skulle leda till överspänning vid enhetens grindar; samt använda TCAD Sentaurus omfattande simuleringsmodell för finita element för att simulera komplexa witchingprocesser för plana och asymmetriska MOSFET:er, vilket ger fysisk insikt i begränsningar när det gäller strategier för att förbättra kopplingsförlusterna.

Ultra-låg driftstemperatur

CoolSiC MOSFETs skiljer sig från MOSFETs i kisel genom att deras driftstemperaturer kan hållas mycket lägre för att skydda gateoxidskiktet, vilket gör dem lämpliga för att minska systemets termiska motstånd, minska storleken och effektivisera kraftdistributionsnät.

SiC MOSFET kan också bidra till att förbättra systemeffektiviteten genom att minimera switchförlusterna i inverterarkonstruktioner för alternativ energi som kräver DC-till-DC-omvandlingssteg - och i vissa fall till och med minska de totala systemkostnaderna med 50% jämfört med en IGBT-lösning.

MOSFETs med kiselkarbid ger betydande energieffektivitetsvinster när de används i buck- och boost-omvandlare för applikationer som industriella motordrifter, högeffektsarkitekturer för datacenter och PFC-kretsar. Deras lägre effektförlust minskar också systemvärmen genom att avsevärt minska systemvikten och kostnaden.

Konstruktörer av kraftelektronik kan dra nytta av dessa fördelar och den högre blockeringsspänningen hos en 1200V Z-FET SiC MOSFET för att implementera all-SiC versioner av kritiska högeffektskopplingskretsar och system med imponerande energieffektivitet, effekttäthet och systemstorleksreduktion som inte är möjlig med kommersiella kiselkraftkretsar med jämförbara prestanda. Halvledarmaterial med brett bandgap medför dock sina egna unika problem, inklusive tröskelspänningsvariationer och instabilitet vid förspänningstemperatur (BTI), som måste förstås och utvärderas för att optimera enhetens prestanda i praktiska tillämpningar.