Карбид-кремниевый MOSFET бросает вызов IGBT

Сегодня карбид-кремниевая (SiC) технология является коммерческим продуктом. Примером тому служит 1200-В силовой 4H-SiC MOSFET [1], который и рассматривается в настоящей статье. В этом транзисторе улучшено качество подложки и эпитаксиального слоя, оптимизирована конструкция под процесс производства, увеличена подвижность носителей посредством азотирования [2]. Благодаря расширенной запрещенной зоне карбид-кремниевый транзистор превосходит кремниевые — напряженность электрического поля, при которой происходит пробой, возросла в 10 раз; улучшилась теплопроводность, а следовательно, возросли рабочие температуры.
Карбид кремния превосходит кремний при использовании в полупроводниках с максимально допустимым рабочим напряжением 600 В и выше. 600-В и 1200-В карбид-кремниевые диоды Шоттки уже сегодня — коммерческие продукты, и являются наилучшим решением в повы­шающих преобразователях с бόль­шей энергетической эффективностью. Например, такие диоды нашли применение в преобразователях солнечной энергии, т.к. имеют более низкие потери на переключение, нежели кремниевые PiN-диоды, также используемые в этих узлах.
Если говорить о силовых ключах, то кремниевые MOSFET уступают 600- и 1200-В IGBT-транзисторам прежде всего из-за значительного сопротивления канала в открытом состоянии (RDSON), которое возрастает пропорционально квадрату максимально допустимого напряжения сток–исток (VDSMAX) [3]. Сопротивление RDSON можно рассматривать как совокупность сопротивлений RJFET и RDRIFT (см. рис. 1).

Рис. 1. Эквивалентная схема DMOSFET

При этом сопротивление RDRIFT, отражающее дрейф свободных носителей, доминирует. Его величина определяется соотношением:

R_DRIFT = d/qμN_D,

где d — толщина дрейфового слоя; q — заряд электрона; N_D — коэффициент легирования.
В новом поколении карбид-кремниевых MOSFET толщина d уменьшена примерно в 10 раз; во столько же раз увеличен коэффициент N_D. В результате сопротивление R_DSON уменьшено почти в 100 раз по сравнению с кремниевым аналогом.

Использование этого типа приборов рассмотрим на примере 1200-В, 20-А транзистора с RDSON = 100 мОм и 15-В уровнем управления затвором. Помимо уменьшения сопротивления RDSON при нормальных условиях в карбид-кремниевых транзисторах значительно снижено влияние температуры. В диапазоне 25…150°С изменение сопротивления составляет всего лишь 20% — очень малое значение по сравнению с аналогичным показателем равным 200% и даже 300% у кремниевых MOSFET. В принципе карбид-кремниевые транзисторы способны работать при температуре свыше 200°С, хотя максимально допустимую температуру серийных транзисторов, главным образом размещаемых в пластмассовых корпусах ТО-247, ограничивают до 150°С.
По сравнению с кремниевыми IGBT-транзисторами, карбид-кремниевые MOSFET имеют и существенно меньшие потери на коммутацию. MOSFET — униполярные приборы, поэтому не имеют «хвостов» при коммутации, обусловленных рассасыванием неосновных носителей. В таблице 1 показаны потери на переключение обоих типов транзисторов.

Рассмотрим пример применения карбид-кремниевых MOSFET в трехфазных 7-кВт, 16,6-кГц инверторах солнечных батарей. Инвертор имеет топологию В6, разработанную в институте ISE, и использует конденсатор в цепи постоянного тока, соединяющийся с нейтральным проводом. На рисунке 2 показаны результаты сравнительных испытаний. Как видно из приведенных результатов, при использовании карбид-кремниевых транзисторов потери сокращаются почти в 2 раза. Соответственно уменьшается и температура теплоотвода: 93°С при использовании IGBT-транзисторов и 50°С — при использовании карбид-кремниевых MOSFET [3].

Рис. 2. Сравнение потерь в 1200-В MOSFET и IGBT

Вот основные преимущества использования карбид-кремниевых MOSFET в фотоэлектрических преобразователях:
– уменьшение стоимости индуктивных компонентов. Размеры индуктивных компонентов зависят от частоты преобразования. Их стоимость уменьшается примерно на 50% при увеличении частоты преобразования в 2—3 раза. С возрастанием частоты преобразования возрастает и частота третьей гармоники, а уменьшить мощность третьей гармоники частотой 150 кГц гораздо проще, чем частотой 50 кГц;
– уменьшаются требования к теплоотводам. Применение карбид-кремниевых MOSFET позволяет уменьшить их температуру на 50%, что приведет к уменьшению размеров и, соответственно, стоимости всего изделия приблизительно на 5% в нашем примере;
– ежегодная прибыль. Например, энергия, производимая 7-кВт преобразователями за год, составит 7 МВт∙ч при стоимости в Германии 0,49 евро/кВт ∙ ч.
Таким образом, за счет уменьшения потерь энергии ежегодная прибавка прибыли составит примерно 3430 евро. Примерно такие же результаты будут и для Центральной Европы, а для Северной Европы эти суммы даже возрастут [4].
На рисунке 3 показана стандартная схема трехфазного выпрямителя с изолированным DC/DC-преобразователем с коммутацией при нулевом токе. В качестве ключей S1, S2 в испытаниях были использованы 1200-В, 25-А IGBT-транзисторы, 1200-В, 40-А IGBT-транзисторы и 1200-В, 25-А карбид-кремниевые MOSFET. Результаты при работе на максимальную нагрузку 3 кВт приведены на рисунке 4. Как видно, при работе с MOSFET КПД системы возрастает на 2,2%. Обратите также внимание на меньшую температуру корпуса MOSFET: на 25°С холоднее, чем 40-А IGBT и на 36°С ниже чем у 25-А IGBT.

Рис. 3. Трехфазный 3-кВт инвертор с большей величиной коэффициента мощности и с прямоходовым преобразователем

Рис. 4. График изменения КПД в зависимости от выходной мощности при частоте преобразования 67 кГц

Выше были показаны достоинства 1200-В MOSFET. Однако и при более высоких напряжениях — 6,5 кВ и даже выше карбид-кремниевые транзисторы также имеют преимущества перед кремниевыми аналогами. Недавно был разработан 10-кВ, 10-А карбид-кремниевый MOSFET. При напряжении управления затвором 20 В и токе через канал 10  А падение напряжении на открытом канале составляет всего лишь 4,1 В, что эквивалентно сопротивлению 127 мОм/см². Утечка тока сток–исток составляет 124 нА при напряжении 10 кВ.
Проведенный сравнительный эксперимент показал, что при работе на индуктивную нагрузку потери на переключение в карбид-кремниевом приборе в 200 раз меньше, чем в 6,5-кВ IGBT! Задержка включения составляет всего лишь 94 нс, а у IGBT — 1,4 мкс; задержка на выключение — 50 и 540 нс соответственно!
При использовании 10-кВ карбид-кремниевых MOSFET и диода Шоттки в повышающем преобразователе (входное напряжение — 500 В, выходное — 5 кВ) КПД 600-Вт преобразователя составил 91%. Подсчитано, что та же схема с обычным кремниевым MOSFET могла бы работать лишь с частотой несколько сотен Гц. На рисунке 5 показаны кривые токов и напряжений при выключении MOSFET [6]. Из рисунка видно, сколь быстро происходят переходные процессы в приборе.

Рис. 5. Процесс коммутации 10-кВ карбид-кремниевого MOSFET при частоте 20 кГц и мощности преобразователя 600 Вт

Учитывая последние достижения карбид-кремниевой технологии, можно в скором будущем ожидать начало серийного производства описанного 10-кВ прибора. При возросшем интересе к альтернативным источникам энергии карбид-кремниевая технология весьма перспективна. Уменьшение потерь мощности делает весьма привлекательным применение этих приборов в фотоэлектрических преобразователях, а также в преобразователях будущих генераторов энергии из органического топлива.