Power Mosfet i kiselkarbid

Effekt-MOSFET:er av kiselkarbid (även kallade SiC MOSFET:er) är halvledarkomponenter med bättre prestanda än motsvarande kiselkomponenter, med högre blockeringsspänning, lägre motstånd i drift och minskade kopplingsförluster.

Toshibas CoolSiC-enheter har hög spänningstålighet och låg påslagningsresistans.

Drift vid höga temperaturer

Effekt-MOSFET:er av kiselkarbid tål högre drifttemperaturer än de kiselbaserade komponenter de ersätter, vilket gör att de kan hantera högre spänningstransienter utan att skadas eller gå sönder, vilket ger kraftsystem ytterligare skydd mot spänningstransienter.

Power-MOSFET:ar av kiselkarbid har lägre på-resistans än motsvarande MOSFET:ar av kisel på grund av faktorer som bredare bandgap och högre elektronrörlighet, vilket leder till snabbare växlingshastigheter med minskade förluster under MOSFET-drift.

Dessa egenskaper blir särskilt viktiga när de används för högpresterande applikationer som servomotorstyrning. Exakta servomotorer måste växla vid mycket höga frekvenser för att uppfylla precisionsstandarder.

SiC-enheter har högre spännings- och strömklassning samt överlägset motstånd mot termisk rusning. Detta gör dem lämpliga för användning i varmare miljöer där det är svårt att kontrollera den värme som genereras vid switchning. Effektiva kyllösningar, t.ex. väldesignade kylflänsar eller termiska gränssnittsmaterial, kan hjälpa till att hantera detta problem och därmed minska de totala systemkostnaderna.

Låga kopplingsförluster

RoN-motståndet ökar med temperaturen och kan minskas för att minska kopplingsförlusterna i höghastighetsapplikationer. SiC-enheter ger mycket snabbare kopplingshastigheter jämfört med kiselkomponenter, vilket ytterligare bidrar till att minska kopplingsförlusterna och minimera kopplingsförlusterna.

CoolSiC MOSFETs har resonansdämpare för att minska förlusterna av svansström under switchning, vilket eliminerar energiförlusten genom dämparen och ger snabbare switchning med minskade totala effektförluster i enheterna.

En effekt-MOSFET:s grindterminal styr elektronflödet mellan dess källa och dränering. Om en positiv spänning läggs på grindterminalen skapas ett elektriskt fält som drar elektroner till sig och bildar en ledande väg mellan source och drain. Men om ingen spänning läggs på kommer detta fält att stängas av, vilket blockerar strömflödet helt och lämnar enheten i sitt "off"-läge.

Toshiba har utvecklat en trench-gate power MOSFET som tack vare en ny struktur har branschledande Ron-, sp- och RoN*Qgd-värden och som samtidigt förbättrar Ron-, sp- och RoN*Qgd-värdena med en Rspread på 2,41. Genom att strategiskt placera sin Schottky-barriärdiod inom den breda diffusionsregionen av p-typ kunde de också minska återkopplingskapacitansen och SBD-strömmen för stabil drift.

Hög genombrottsspänning

Kiselkarbid är ett innovativt material för krafthalvledare som revolutionerar branschen. Kiselkarbid tål mycket högre spänningar - upp till 10 gånger högre än standardkiselelektronik - och det breda bandgapet gör att elektroniska komponenter kan vara mindre, gå snabbare och fungera i miljöer med högre temperaturer utan att tillförlitligheten äventyras.

Power MOSFETs av kiselkarbid är beroende av sin gate för sin funktion. Om man lägger på en positiv spänning på denna komponent uppstår ett elektriskt fält som drar till sig elektroner och bildar en isolerande kanal mellan source- och drain-terminalerna, vilket gör det möjligt för användaren att slå på eller av sin enhet.

På grund av sin överlägsna kritiska genomslagsstyrka klarar powermosfets av kiselkarbid betydligt högre spänningar än sina motsvarigheter av kisel och kan därför användas i hårdkopplande topologier som LLC och ZVS med minskade kopplingsförluster och högre effektivitet.

Cree presenterade sin första effekt-MOSFET i kiselkarbid i januari 2011: den här enheten hade 1200 V och 80 mO on-motstånd i ett TO-247-paket, vilket gav överlägsna prestanda som gjorde att många nya elektroniska kretsar kunde använda den. En kompakt kretssimulatormodell skapades sedan för att exakt simulera dess prestanda jämfört med en vanlig kisel-MOSFET (antingen 2kV, 5A diMOSFET) jämfört med dess överlägsna 2H-SiC-motsvarighet (och jämföra resultaten mot var och en).

Hög strömtäthet

Power-mosfets av kiselkarbid kan ge höga strömtätheter tack vare det ökade kritiska genomslagsfältet, den högre värmeledningsförmågan och det bredare bandgapet. I kombination möjliggör detta en mindre enhet utan att kompromissa med resistansnivåer, spänningsklasser eller switchförluster.

Dessutom gör den höga temperaturtoleransen att dessa komponenter kan användas i hård- och mjukkopplande topologier, vilket leder till mindre komponentstorlekar och minskad parasitkapacitans, vilket i sin tur ger mer energieffektiva kretsar.

En av de främsta fördelarna med dessa enheter är att de kan växla snabbare än sina kiselbaserade motsvarigheter, vilket möjliggör högre växlingsfrekvenser och ytterligare minskar växlingsförlusterna genom att använda mindre induktiva och kapacitiva komponenter som minskar växlingsförlusterna.

Tack vare sin förmåga att uppnå höga elektriska fältstyrkor vid genombrott kan dessa komponenter också användas i applikationer med höga blockeringsspänningar utan risk för destruktiva fel - en enorm fördel jämfört med kiselbaserade komponenter som ofta kräver höga gate-drivspänningar för att upprätthålla sina tröskelvärden vid genombrott.

Dessa egenskaper har lett till utvecklingen av CoolSiC MOSFET kraftmoduler för fordon, som finns i olika elfordon, inklusive högspänningsomriktare för traktion som omvandlar likström från batterikraft till växelström för motoranvändning och inbyggda batteriladdare och hjälpomriktare som används med specifika bränslecellsdrivna elfordon (FCEV).