Kolmannen sukupolven SiC MOSFET -transistorien käyttö tehojärjestelmien suunnittelussa suorituskyvyn ja hyötysuhteen parantamiseksi

Erilaisissa tehosovelluksissa, kuten teollisuuden moottorinohjaimissa, AC/DC- ja DC/DC-inverttereissä ja -muuntimissa, akkulatureissa ja energian varastointijärjestelmissä, tavoitellaan jatkuvasti parempaa hyötysuhdetta, pienempää kokoa ja korkeampaa suorituskykyä. MOSFET-piitransistorien (Si) ominaisuudet eivät riitä näiden aggressiivisten suorituskykyvaatimusten täyttämiseen, ja tämä johti piikarbidiin (SiC) perustuvien uudempien transistoriarkkitehtuurien käyttöönottoon.

Vaikka nämä uudemmat komponentit tarjosivat merkittäviä etuja keskeisten suorituskykymittarien mukaan, suunnittelijoiden kannatti suhtautua varovaisesti ensimmäisen sukupolven SiC-komponentteihin erilaisten rajoitusten ja sovelluksiin liittyvien epävarmuustekijöiden vuoksi. Toisen sukupolven komponentit tarjosivat paremmat spesifikaatiot ja niiden yksityiskohtia ymmärrettiin paremmin. Koska SiC MOSFET -transistorien suorituskyky parani ja markkinoilletuontiaikaan kohdistuvat paineet kasvoivat, suunnittelijat käyttivät näitä uudempia komponentteja tuotetavoitteiden saavuttamiseen. Nyttemmin kolmannen sukupolven komponentit ovat osoittaneet SiC-pohjaisten tehokomponenttien kypsyyden. Nämä komponentit tarjoavat käyttäjille keskeisten parametrien parannuksia ja ne perustuvat edellisten sukupolvien suunnittelusta saatuun kokemukseen ja asiantuntemukseen.

Tässä artikkelissa vertaillaan pii- ja piikarbiditransistoria ja käsitellään sitten miten kehitystyössä voidaan siirtyä kolmannen sukupolven SiC MOSFET -transistoreihin. Sen jälkeen artikkelissa esitellään valmistajan Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba) käytännön esimerkkejä ja osoitetaan, miten sen komponentit auttavat suunnittelijoita saavuttamaan merkittäviä edistysaskeleita tehojärjestelmien suunnittelussa.

Pii vs. piikarbidi

Piipohjainen MOSFET on muuttanut viime vuosikymmenien aikana tehojärjestelmien suunnittelua perusvirtalähteistä ja inverttereistä moottorikäyttöihin. Hakkurioptimoitu Si MOSFET on mahdollistanut yhdessä eristyshilaisten bipolaaritransistorien (IGBT) kanssa (jotka ovat toiminnaltaan samankaltaisia puolijohteita, mutta poikkeavat huomattavasti rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan) siirtymisen perinteisestä, tehottomasta, lineaarisiin topologioihin perustuvasta tehomuunnoksesta ja tehon ohjauksesta paljon tehokkaampaan ja kompaktimpaan lähestymistapaan, jossa käytetään hakkuriohjausta.

Useimmat näistä ratkaisuista käyttävät jonkin tyyppistä pulssinleveysmodulaatiota (PWM) halutun jännite-, virta- tai tehoarvon tuottamiseen ja ylläpitämiseen suljetun silmukan takaisinkytkentää käyttävässä piirissä. MOSFET-piitransistorien käytön lisääntyessä myös niihin kohdistuvat vaatimukset kasvoivat. Lisäksi uudet hyötysuhdetavoitteet (joista monet perustuvat lakisääteisiin määräyksiin), sähköajoneuvojen ja älykkäämpien moottorinohjausten kysyntä, uusiutuvien energialähteiden tehomuunnokset ja niihin liittyvät energiavarastointijärjestelmät vaativat näiltä MOSFET-transistoreilta yhä enemmän ja yhä parempaa suorituskykyä.

Tämän seurauksena piipohjaisten MOSFET-transistorien suorituskykyä parannettiin huomattavasti tutkimus- ja kehitystyön avulla, mutta tutkijat havaitsivat, että tämä työ oli saavuttamassa pisteen, jossa kustannukset ylittivät hyödyt. Onneksi heillä oli teoriaan perustuva vaihtoehto. Se perustui tehokytkimiin, joissa käytettiin substraattina pelkän piin sijasta piikarbidia.

Miksi käyttää piikarbidia?

Piikarbidilla on eräistä monimutkaisista fysikaalisista syistä kolme pääasiallista sähköistä ominaisuutta, jotka eroavat merkittävästi pelkän piin ominaisuuksista ja joista jokainen tarjoaa toiminnallisia etuja. Lisäksi on olemassa muita vähemmän ilmeisiä eroja (kuva 1).

Kuva 1: Piikarbidin, piin sekä galliumnitridin (GaN) tärkeimpien materiaaliominaisuuksien karkea vertailu. (Kuvan lähde: Researchgate)

Kolme tärkeintä ominaisuutta ovat:

• Korkeampi kriittinen sähkökentän läpilyöntijännite, noin 2,8 megavolttia/senttimetri (MV/cm) verrattuna arvoon 0,3 MV/cm, mikä mahdollistaa toiminnan samalla nimellisjännitteellä paljon ohuemmalla kerroksella. Tämä pienentää huomattavasti nielun ja lähteen välistä johtamisresistanssia (R_DS(on)).
• Korkeampi lämmönjohtavuus mahdollistaa suuremman virrantiheyden samalla poikkipinta-alalla.
• Leveämmän energiaraon (energiaero elektronivoltteina valenssivyön yläpään ja johtavuusvyön alapään välillä puolijohteissa ja eristeissä) ansiosta pienempi vuotovirta korkeissa lämpötiloissa. Tästä syystä SiC-diodeja ja kanavatransistoreita (FET) kutsutaan usein leveän energiaraon (WBG) komponenteiksi.

Piikarbidipohjaiset komponentit voivat estää näistä syistä jopa kymmenen kertaa suurempia jännitteitä pelkkiin piiratkaisuihin verrattuna. Ne voivat myös kytkeä noin kymmenen kertaa nopeammin. Niiden resistanssi R_DS(on) on 25 °C:n lämpötilassa puolet tai vähemmän samalla piirikoolla (nämä kaikki ovat tietenkin likimääräisiä lukuja). Myös virran katkaisuun liittyvät häviöt ovat SiC-komponenteissa pienemmät, koska niissä ei ole haitallista häntävirtaa. Samaan aikaan niiden kyky toimia paljon korkeammissa lämpötiloissa (noin 200 °C, vertaa piin 125 °C), helpottaa lämpösuunnittelua ja lämmönhallintaa.

SiC-laitteet ovat nousseet nykyään merkittävään asemaan tehoa ja nopeutta vertailevassa sovellusmatriisissa IGBT-transistorien, MOSFET-piitransistorien ja GaN-laitteiden rinnalla (kuva 2).

Kuva 2: MOSFET-piikarbiditransistorit soveltuvat suorituskykyominaisuuksiensa ansiosta monenlaisiin sovelluksiin, jotka kattavat erilaisia teho- ja taajuusluokituksia. (Kuvan lähde: Toshiba)

Tie SiC-materiaalitieteen ja laitefysiikan perusteista kaupallisiin SiC MOSFET -transistoreihin ei ollut nopea eikä helppo (kuva 3). Ensimmäiset SiC-pohjaiset laitteet, Schottky-diodit, esiteltiin laajojen tutkimus- ja tuotantoponnistelujen jälkeen vuonna 2001. Alalla kehitettiin seuraavien kahden vuosikymmenen aikana ensimmäisen, toisen ja kolmannen sukupolven SiC MOSFET -transistoreita, joita tuotiin markkinoille suuria tuotantomääriä. Kukin sukupolvi tarjoaa kohdennettuja parannuksia tiettyihin parametreihin, mutta hieman erilaisilla kompromisseilla.

Kuva 3: Kaupallisten SiC-pohjaisten laitteiden tarina alkaa ensimmäisistä kaupallisista SiC Schottky -diodeista, jotka tulivat markkinoille vuonna 2001. (Kuvan lähde: IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Huomaa, että on tärkeää olla perillä terminologiasta: SiC-pohjaiset FET-transistorit ovat pelkkään piihin perustuvien edeltäjiensä tavoin MOSFET-transistoreita. Yleisesti ottaen niiden sisäinen fyysinen rakenne on samanlainen. Molemmissa on kolme jalkaa, lähde, nielu ja hila. Ero tulee esiin nimessä: SiC-pohjaisissa FET-transistoreissa käytetään perusmateriaalina piikarbidia pelkän piin sijasta.

Aluksi ensimmäinen ja toinen sukupolvi

Kytkinkomponentin suorituskykyä kuvaillaan monilla parametreilla. Moniin staattisiin parametreihin kuuluvat suurin käyttöjännite ja maksimi virtaluokitus sekä kaksi staattista hyvyyslukua (FoM): R_DS(on) ja maksimi käyttölämpötila. Hyvyysluvut liittyvät tietyn piirikoon ja kotelon tehonkestoon.

Myös dynaamiset parametrit ovat kytkinkomponenteille erittäin tärkeitä, koska niitä tarvitaan kytkentähäviöiden arviointiin. Yleisimmin käytetty dynaaminen FoM on R_DS(on)-arvon ja hilavarauksen tulos, R_DS(on) × Q_g. Lisäksi estosuunnan toipumisvarauksen, Q_rr, merkitys on kasvanut. Nämä FoM-arvot määräävät pääosin hilaohjaimen mitoituksen ja ominaisuudet, jotka tarvitaan riittävän virran syöttämiseksi kytkinkomponentille ja virran vastaanottamiseksi kytkinkomponentilta, ilman ylitystä, värähtelyä tai muita vääristymiä.

Luotettavuusongelmat hidastivat ensimmäisen sukupolven SiC-komponenttien käyttöä ja markkinakasvua. Yksi ongelmista koski PN-diodeja, jotka sijoitetaan MOSFET-tehotransistorin virtalähteen ja nielun väliin. PN-diodiin kytketty jännite aktivoi diodin, mikä johti laitteen luotettavuutta heikentävään johtamisresistanssin muutokseen.

Toshiban toisessa sukupolvessa SiC-perusrakennetta muutettiin käyttämällä MOSFET-transistoriin sulautettua Schottky-diodia (SBD), jolla ratkaistiin suurelta osin tämä ongelma (kuva 4). Tämä paransi luotettavuutta enemmän kuin kertaluokan verran. Uusi rakenne esti jännitteen kytkeytymisen PN-diodiin, koska SBD sijoitettiin sen rinnalle solun sisälle. Virta kulkee sulautetun SBD-diodin läpi, koska sen päästötilan jännite on PN-diodin jännitettä alhaisempi. Tämä ehkäisee joitakin johtamisresistanssin muutoksia ja MOSFET-transistorin luotettavuuden heikkenemistä.

Kuva 4: Toisin kuin tyypillinen SiC MOSFET -transistori ilman sisäistä Schottky-diodia (SBD) (vasemmalla), SBD-diodin sisältävä transistori (oikealla) voi minimoida PN-diodin loisvirran syntymisen. (Kuvan lähde: Toshiba)

Sulautetuilla SBD-diodeilla varustetut MOSFET-transistorit olivat jo käytössä. Niitä käytettiin kuitenkin vain korkeajännitetuotteissa, kuten 3,3 kilovoltin (kV) komponenteissa, koska sulautettu SBD-diodi aiheutti johtamisresistanssin nousun lopulta tasolle, jota vain korkeajännitetuotteet voivat sietää. Toshiba kokeili erilaisia laiteparametreja ja havaitsi, että MOSFET-transistorin ja SBD-diodin pinta-alan suhde oli ratkaisu estämään johtamisresistanssin kasvu. Optimoimalla SBD-suhteen Toshiba kehitti 1,2 kV -luokan SiC MOSFET -transistorin, jonka luotettavuus oli huomattavasti parempi.

Kuten monet parannukset, tämäkin edellytti kompromisseja. Vaikka uusi rakenne paransi merkittävästi luotettavuutta, sillä oli myös haitallinen vaikutus kahteen hyvyyslukuun. Rakenne kasvatti nimellistä R_DS(on)-arvoa sekä R_DS(on) × Q_g -arvoa, mikä heikensi MOSFET-transistorin suorituskykyä. Toisen sukupolven SiC MOSFET -transistorisirujen pinta-ala oli suuri johtamisresistanssin kompensoimiseksi ja pienentämiseksi, mutta tämä lisäsi kustannuksia.

Kolmas sukupolvi osoittaa aitoa kypsyyttä

Tiedostaen edellä mainitun ongelman Toshiba kehitti kolmannen sukupolven TWXXXN65C/TWXXXN120C- SiC MOSFET tuoteperheen. Näiden laitteiden virtaa levittävän kerroksen rakenne on optimoitu solukoon pienentämiseksi ja myös korkeamman nimellisjännitteen, nopeamman kytkemisen ja pienemmän johtamisresistanssin saavuttamiseksi.

Johtamisresistanssia lasketaan osittain laskemalla levitysresistanssia (R_spread). SBD-virtaa kasvatetaan injektoimalla typpeä SiC MOSFET -transistorin laajan P-tyypin diffuusioalueen (P-well) pohjaan. Toshiba myös pienensi JFET-aluetta ja injektoi typpeä takaisinkytkentäkapasitanssin ja JFET-vastuksen laskemiseksi. Tämän seurauksena takaisinkytkentäkapasitanssi laski ilman johtamisresistanssin kasvua. Myös SBD-diodin sijoittelun optimointi mahdollisti vakaan toiminnan ilman johtamisresistanssin vaihtelua.

Tuoteperhe koostuu nykyään 650 voltin ja 1200 voltin SiC MOSFET -transistoreista, jotka on tarkoitettu korkeatehoisiin teollisuussovelluksiin, kuten 400 voltin ja 800 voltin AC/DC-virtalähteisiin, aurinkosähköinverttereihin ja kaksisuuntaisiin DC/DC-muuntimiin keskeytymättömiä virransyöttöjä (UPS) varten. Sekä 650 voltin että 1200 voltin SiC MOSFET -transistorit käyttävät teollisuusstandardin mukaista kolminastaista TO-247-koteloa (kuva 5).

Kuva 5: Teollisuusstandardin mukaista koteloa käyttävät Toshiban 650 voltin ja 1200 voltin kolmannen sukupolven SiC MOSFET -transistorit sopivat hyvin monenlaisiin tehonmuunto-, ohjaus- ja hallintasovelluksiin. (Kuvan lähde: Toshiba)

Näiden kolmannen sukupolven SiC MOSFET -transistorien hyvyysluku R_DS(on) × Q_g on Toshiban toisen sukupolven laitteisiin verrattuna 80 % pienempi, mikä on merkittävä pudotus. Kytkentähäviö on puolestaan noin 20 % alhaisempi. Integroitu SBD-dioditekniikka tarjoaa myös erittäin alhaisen myötäjännitteen (V_F).

MOSFET-transistoreihin liittyy muitakin suunnitteluhienouksia. Otetaanpa esimerkiksi V_GSS. V_GSS on korkein jännite, joka voidaan kytkeä hilan ja lähteen välille, kun nielu ja lähde ovat oikosulussa. Kolmannen sukupolven SiC-komponenteissa V_GSS-alue on 10–25 volttia, ja suositeltu arvo on 18 volttia. Laaja V_GSS-arvoalue helpottaa suunnittelua ja parantaa samalla ratkaisun luotettavuutta.

Lisäksi alhainen resistanssi ja korkeampi hilan kynnysjännite (V_GS(th)) – jännite, jossa MOSFET-kanava alkaa johtaa – auttavat ehkäisemään toimintahäiriöitä, kuten jännitepiikkien, häiriöiden ja ylitysten aiheuttamaa tahatonta siirtymistä johtamistilaan. Tämä jännite on 3,0–5,0 volttia, mikä auttaa varmistamaan ennustettavan kytkentätehon minimaalisella siirtymällä ja yksinkertaistaa samalla hilaohjainratkaisua.

650 voltin ja 1200 voltin kolmannen sukupolven SiC MOSFET -transistorien lähempi tarkastelu

Näiden tuoteperhespektrin vastakkaisissa päissä sijaitsevan kahden laitteen, 650 voltin ja 1200 voltin komponentin, tarkastelu osoittaa niiden ominaisuuksien vaihtelualueen. Niiden fyysinen kotelo, nastamääritys ja kaaviosymboli ovat samat (kuva 6), mutta yksityiskohdat poikkeavat toisistaan.

Kuva 6: Toshiban kolmannen sukupolven SiC MOSFET -tuoteperheen kaikilla laitteilla on sama fyysinen rakenne ja kaaviosymboli. Huomaa symboliin integroitu SBD-diodi. (Kuvan lähde: Toshiba)

Yksi 650 voltin komponenteista on N-kanavan TW015N65C, jonka nimellisarvot ovat 100 ampeeria (A) ja 342 wattia. Sen tyypillisiä spesifikaatioarvoja ovat 4850 pikofaradin (pF) tulokapasitanssi (C_ISS), alhainen hilan tulovaraus 128 nanocoulombia (Q_g) ja vain 15 milliohmin (mΩ) nimellinen R_DS(on).

Tekniset tiedot sisältävät taulukoissa staattisten ja dynaamisten parametrien minimi-, normaali- ja maksimiarvot. Lisäksi ne sisältävät kaavioita, joissa ilmaistaan kriittisten parametrien muutokset mm. lämpötilan, nieluvirran ja hila-lähdejännitteen (V_GS) funktiona. Kuvassa 7 näytetään esimerkki R_DS(on)-arvosta lämpötilan, nieluvirran (I_D) ja hila-lähde-jännitteen V_GS funktiona.

Kuva 7: Nämä kaaviot kuvaavat TWO15N65C-transistorin johtamisresistanssia eri näkökulmista, joihin sisältyvät nieluvirta, ympäristön lämpötila ja V_GS. (Kuvan lähde: Toshiba)

Kuva 8 näyttää samat spesifikaatiot ja kuvaajat 1200 voltin komponenteille, kuten N-kanavan, 20 A:n ja 107 watin TW140N120C. Tämän SiC MOSFET -transistorin C_ISS on alhainen, 6000 pF, hilan tulovaraus (Q_g) on 158 nanocoulombia (nC) ja R_DS(on) on 140 mΩ.

Kuva 8: Transistorin TW140N120C johtamisresistanssin kuvaajat. (Kuvan lähde: Toshiba)

Kymmenen saatavana olevaa kolmannen sukupolven Toshiba SiC MOSFET -transistoria sisältävät viisi 650 voltin laitetta ja viisi 1200 voltin laitetta. Niiden johtamisresistanssi-, virta- ja teholuokitukset ovat seuraavat lämpötilassa 25 °C:

650 volttia:

• 15 mΩ, 100 A, 342 wattia (TWO15N65C)
• 27 mΩ, 58 A, 156 wattia
• 48 mΩ, 40 A, 132 wattia
• 83 mΩ, 30 A, 111 wattia
• 107 mΩ, 20 A, 70 wattia

1200 volttia:

• 15 mΩ, 100 A, 431 wattia
• 30 mΩ, 60 A, 249 wattia
• 45 mΩ, 40 A, 182 wattia
• 60 mΩ, 36 A, 170 wattia
• 140 mΩ, 20 A, 107 wattia (TW140N120C)

Yhteenveto

MOSFET-piikarbiditransistorit parantavat merkittävästi kriittisiä kytkentäparametreja pelkkään piihin perustuviin laitteisiin verrattuna. Kolmannen sukupolven SiC-komponentit tarjoavat edellisiin sukupolviin verrattuna paremmat spesifikaatiot ja hyvyysluvut (FoM), korkeamman luotettavuuden sekä paremmin esitetyt hilaohjainvaatimukset. Lisäksi niiden rakenteen mukanaan tuomia yksityiskohtia on helpompi ymmärtää. Nämä SiC MOSFET -transistorit tarjoavat tehojärjestelmien suunnittelijoille ylimääräisen ydinresurssin, jonka avulla he voivat saavuttaa korkeamman hyötysuhteen, pienemmän koon ja paremman kokonaissuorituskyvyn.