Power Mosfet i kiselkarbid

Powermosfets av kiselkarbid har blivit en alltmer populär komponent i elektronikkretsar och erbjuder många fördelar jämfört med sina motsvarigheter av kisel.

Även om denna nya teknik till en början var långsam att få fäste, ökar dess användning gradvis av flera skäl. Viktiga attribut inkluderar:.

Högspänningsuppdelning

MOSFETs och IGBTs av kiselkarbid (SiC) är betydligt mer energieffektiva än sina motsvarigheter av kisel och ger olika fördelar för högeffektsapplikationer. SiC-enheter har snabbare växlingshastigheter samtidigt som de är lämpliga för miljöer med högre temperaturer, samt minskad ledningsförlust som hjälper till att minimera effektförlusterna i systemen.

SiC MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) är en halvledaranordning som består av tre huvudlager: källa, grind och dränering. De är anslutna genom ett elektriskt fält som induceras när strömmen slås på. SiC MOSFETs erbjuder bred temperaturtolerans med hög genombrottsspänning vilket gör dem till ett bra alternativ för högspänningsenheter.

Prestanda för unipolära SiC power MOSFET begränsas av två viktiga parametrar - genomslagsspänning och på-resistans. För att öka genomslagsspänningen måste n-lagrets resistans (driftlager eller spänningsblockerande lager) bli mindre resistivt - detta kan åstadkommas med hjälp av injektion av minoritetsbärare från p-regionen till det tjocka n-lagret, vilket gör att både elektroner och hål kan bidra med ström genom dess driftlager.

Denna process är känd som lavinnedbrytning. Tyvärr kan det kritiska elektriska fältet - som bestämmer genomslagsspänningen - påverkas av kristallorientering och hålinitierade bärarmultiplikationsprocesser; för att ytterligare förbättra denna typ av genomslag krävs att antingen hål- eller elektroninitierade bärarmultiplikationsprocesser äger rum samtidigt.

Hög strömtäthet

Effekt-MOSFET:er i SiC överträffar kisel-MOSFET:er genom att erbjuda högre strömtäthet med lägre genomgångsmotstånd och switchförluster, vilket ger lägre effektförluster vid användning i applikationer som ombordladdare, DC/DC-omvandlare och solcellsomvandlare på elektriska hybridfordon med systemspänningar på över 800 V.

Unipolära SiC-powermosfets arbetar vid betydligt högre temperaturer än sina motsvarigheter i kisel, vilket leder till betydligt högre strömtäthet och minskat on-motstånd, tillsammans med snabbare switchhastigheter som hjälper till att minimera ledningsförlusterna, vilket ger högre systemeffektivitet.

SiC pn-övergångar har en inneboende bärarkoncentration som är mer än 10 storleksordningar lägre än den som finns i kisel, vilket minskar självuppvärmningen och ökar tillförlitligheten. Dessutom gör det breda bandgapet att läckströmstätheten kan minskas avsevärt, vilket ytterligare minskar parasiteffekterna och den totala effektförlusten.

Genom att implementera en icke-nodkontaktmetod och ett tunnare gateoxidskikt kunde vi producera en 2 kV, 5 A 4-H SiC MOSFET power diMOSFET med ökad blockeringsspänning och minskat specifikt on-motstånd, vilket resulterade i betydande ökningar av dess meritvärde. Denna högpresterande SiC MOSFET finns i solcellsväxelriktare, energilagringsteknik som batterier och serverdatacenter som används för AI-bearbetning av stora datamängder.

Drift vid höga temperaturer

Power-MOSFET:er av kiselkarbid har överlägsen blockeringsspänning och strömhanteringskapacitet jämfört med sina motsvarigheter av kisel, vilket gör dem lämpliga för applikationer som kräver högre temperaturer där termisk flykt kan vara ett problem.

SiC MOSFETs och IGBTs har lägre RDS (on)-tal som varierar mindre med temperaturen, vilket möjliggör högre switchfrekvenser för snabbare motorstyrning i applikationer som verktygsmaskiner och automatiserade tillverkningsanläggningar - vilket ger högre produktivitet och precision än deras motsvarigheter i kisel.

Kiselkarbidens låga värmeutvidgningskoefficient gör den till ett utmärkt materialval för stora astronomiska teleskop som Herschel Space Telescope-speglarna. På grund av sina hårda och styva egenskaper är kiselkarbid dessutom ett utmärkt materialval för komponenter i subsystem till rymdfarkoster som måste tåla höga nivåer av transienter utan att vridas eller böjas under stress.

Kiselkarbid har en värmeledningsförmåga som är ungefär dubbelt så hög som kisel, vilket innebär att den kan kylas vid betydligt lägre temperaturer utan att ytterligare kylsystem behövs - vilket sparar både kostnader och systemstorlek. Dessutom gör högre driftstemperaturer att enheterna kan arbeta effektivt med ökad tillförlitlighet i högeffektsapplikationer.

Låga kopplingsförluster

Power-MOSFETS i kiselkarbid har lägre on-resistans och switchförluster jämfört med traditionella Si IGBT:er, vilket gör dem lämpliga för hårda och resonanta switchtopologier som LLC och ZVS. Dessutom möjliggör deras högre switchfrekvenser mindre kretsstorlekar och ökad effekttäthet.

Effekt-MOSFET:er av kiselkarbid har många fördelar som gör dem attraktiva i många tillämpningar, t.ex. när de ersätter IGBT:er i resonansomvandlare som styr höghastighetsservomotorer som används vid automatiserad tillverkning, vilket eliminerar stora kylflänsar samtidigt som systemeffektiviteten ökar och effektförlusterna minskar. Deras högre driftstemperaturer och överlägsna värmeledningsförmåga minskar också systemets effektförluster.

Eftersom de använder Schottky-barriärdioder med dräneringskälla för att snabbt nå ett frånläge vid avstängning, ger dessa enheter snabba återhämtningstider vid avstängning. Detta står i kontrast till IGBT-enheter där det kan ta mycket längre tid för svansströmmen att avledas till ett avstängt tillstånd.

Power mosfets av kiselkarbid med lägre switchförluster bidrar till ökad energieffektivitet, lägre koldioxidutsläpp och förbättrad tillförlitlighet, mer kompakt kretsdesign, lägre komponentkostnader och minskat antal komponenter - vilket gör kiselkarbid till ett utmärkt val för höghastighetsapplikationer som DC/DC-omvandlare och växelriktare i elektriska hybridfordon - de klarar spänningar på upp till 1.200 V i både förpackade och nakna versioner av dessa enheter.