Power MOSFETs av kiselkarbid

SiC har många exceptionella egenskaper som gör det till ett utmärkt material för kraftaggregat som de som finns i nya smarta elfordon och växelriktare, med lägre on-resistans och switchförluster än kiseltransistorer [1].

Den här artikeln belyser de senaste framstegen i utvecklingen av SiC MOSFET:er i 1,2 kV-klassen samt viktiga prestandafrågor i samband med deras användning.

Låg förlust i driftsstatus

Kiselkarbid (SiC) är nästa generations material för kraftaggregat. SiC MOSFETs erbjuder högre driftspänning, lägre förluster och större tillförlitlighet jämfört med kiselbaserade halvledare och har blivit det självklara valet i kraftomvandlingsapplikationer som t.ex. traktionsomvandlare för fordon, avbrottsfri strömförsörjning (UPS) och PV-omvandlare.

SiC power MOSFETs har låga on-state förluster som gör att de kan arbeta vid högre switchfrekvenser än bipolära versioner, vilket minskar systemets totala effektförluster och systemets totala effektförluster. Dessutom har SiC MOSFETs lägre RDS(on) än bipolära motsvarigheter, vilket gör dem mindre temperaturkänsliga samtidigt som de kräver mindre gate drive-ström än traditionella kisel MOSFETs för att uppnå en on-state drain-ström som minskar de totala systemförlusterna ytterligare.

SiC MOSFET:er har dock högre avstängningsförluster än bipolära transistorer och deras inverkan på systemförlusterna är inte linjär med driftförhållandet. Därför är det viktigt att konstruktörerna känner till denna dynamik för att kunna konstruera tillförlitliga höghastighetssystem för kraftomvandling.

Att uppnå en harmonisk jämvikt mellan dynamiska parametrar är avgörande för höghastighetsdrift och minimering av kopplingsförluster. Noggrann PCB-layout och implementering av skyddskretsar hjälper till att eliminera parasitiska komponenter som bidrar till överspänningsspikar eller andra felförhållanden, vilket skyddar kraftomvandlare från skador samtidigt som systemets effektivitet ökar. UnitedSiCs 1700 V LV SiC MOSFET UF3SC120009K4S har utvecklats speciellt för DC-DC-omvandlare med hög effekt för att maximera prestanda och tillförlitlighet.

Hög strömtäthet

MOSFET:er av kiselkarbid har högre strömtäthet än motsvarande MOSFET:er av kisel, vilket leder till mindre komponenter och minskade systemförluster, vilket ökar effektiviteten i kraftomvandlingssystem, högre switchfrekvenser och mindre konstruktioner som möjliggör svalare komponenter (induktorer, kondensatorer och transformatorer), samt ger betydande kostnadsbesparingar. Detta resulterar i högre effektivitet samt minskade systemförluster - vilket leder till högre systemeffektivitet som helhet och potentiella kostnadsbesparingar till följd av deras användning.

SiC-enheter har högre strömtäthet samt lägre on-resistans och genomslagsspänning än motsvarande kiselkomponenter, vilket gör dem lämpliga för användning i applikationer som sträcker sig från UPS:er och solcellsväxelriktare till elfordon.

Hög strömtäthet och snabba växlingshastigheter möjliggörs av det faktum att SiC Power MOSFETs har lägre drain-source-motstånd jämfört med kiselkomponenter i samma storlek på grund av tunnare n-lager; detta sänker det totala driftlagermotståndet med cirka 1000 gånger, vilket leder till minskade on-motstånd och efterföljande minskningar av on-motståndet.

SiC Power MOSFETs högre switchfrekvenser bidrar också till deras prestanda genom att minimera parasiteffekter, som läckström vid jonisering och läckström vid tunnling mellan band, vilket minskar effektförlusterna och ökar effektiviteten över ett bredare temperaturområde. De tenderar att vara mindre känsliga för temperaturförändringar, vilket gör att de kan arbeta vid lägre temperaturer samtidigt som de erbjuder samma tillförlitlighet som sina motsvarigheter i kisel.

Kapacitet för högspänning

Power-MOSFETs i SiC har högre blockeringsspänning jämfört med sina motsvarigheter i kisel, vilket gör dem till ett utmärkt val för högspänningsapplikationer som t.ex. ersättning av IGBT i intervallet 5-8 kV. Deras on-resistans är betydligt lägre - typiskt mellan 1-3mOcm2 för MOSFETs i 1kV-klassen med en typisk kanalrörlighet på 20 cm2/Vs (Källa: Yole).

Hög blockeringsspänning sker på bekostnad av kortslutningshållfastheten; för att förhindra fel på enheter/system är det viktigt att 1200-V SiC power MOSFETs klarar kortslutningar utan termiska avbrott och har tillräcklig kortslutningshållfasthet.

För att uppnå detta mål måste epitaxiella SiC-skikt av hög kvalitet konstrueras från rena och kristallina wafers med hjälp av sofistikerade processtekniker, strukturdesign och förpackningstekniker. Dessutom måste defekttätheten vara låg för att säkerställa optimal prestanda och tillförlitlighet hos SiC-materialen.

GeneSiC har framgångsrikt uppnått sina mål och erbjuder nu högpresterande SiC power MOSFET-moduler och bare die för användning i verksamhetskritiska applikationer som elfordon, snabbladdare, järnvägar, industriella drivenheter, solenergi och system för förnybar energi. Den avancerade tekniken säkerställer branschledande lavinklassning, överlägsna RDS(ON)-kopplingsförluster och temperaturinvarianta kopplingsförluster för överlägsen effektivitet och tillförlitlighet i ett brett spektrum av kraftomvandlingsapplikationer.

Snabb växling

Power MOSFETs är spänningsstyrda enheter som slås på och av som svar på en grindsignal. En positiv spänning som läggs på grinden genererar ett elektriskt fält som drar till sig elektroner och bildar en ledande väg mellan käll- och dräneringsterminalerna, vilket gör att enheten hamnar i "på"-läge. Omvänt, om en negativ spänning appliceras på grinden stängs fältet av och blockerar strömflödet, vilket gör att enheten hamnar i "off"-läge.

SiC-kraftmosfeter har låg on-state-förlust för snabb växling, vilket ökar effektiviteten i server- och UPS-applikationer (avbrottsfri strömförsörjning). Den snabba switchhastigheten möjliggör också snabbare svängningshastigheter i DC-DC-omvandlare och solcellsinverterare.

Effekt-MOSFET:er i SiC har också överlägsen RDSon-stabilitet jämfört med effekt-MOSFET:er i kisel, vilket gör det lättare för effektkretsar att fungera i extrema temperaturer.

Sic power-mosfeter erbjuder ytterligare fördelar när de kombineras med gate-drivkretsar. Texas Instruments enkanals isolerade grinddrivdon UCC217xx för IGBT- och SiC MOSFET-strömställare har t.ex. enastående grinddrivningsprestanda, höghastighetsskyddsfunktioner och en stark sink-kapacitet som skyddar dem mot Miller turn-on-effekter.