Нови мощни полупроводникови прибори

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2008

Подчертана тенденция в развитието на мощните полупроводникови прибори още от самото им създаване е непрекъснатото увеличаване на работните напрежения и токовете. Неизбежно нарастващата при това разсейвана върху тях мощност създава проблеми с охлаждането и оскъпява изделията. Нейното намаляване заедно със стремежа за опростяване на управлението са основните стимули за подобряване на съществуващите прибори, създаване на техни разновидности и търсене на алтернативни решения. Появиха се нови многообещаващи прибори, които заемат своето място на пазара. На техния принцип на действие, основни параметри и характерни приложения е посветена настоящата статия.

Диоди от силициев карбид (SiC)

Най-масово използваните в силовата електроника силициеви полупроводникови прибори почти достигнаха максималния си к.п.д. и минимално възможните си размери и тегло, определяни от нагряването и по-нататък могат да се правят само малки количествени подобрения. Това е причината за търсенето на нови материали, един от които е познатият отдавна SiC, използван досега главно заради своята механична здравина (карборунд). Той е с кристална структура, като съществуват около 200 нейни разновидности, но за реализация на полупроводникови прибори основно се използват хексагоналните - политип 4Н (4H-SiC) и по-рядко политип 6Н (6H-SiC). И двете са прозрачни, тъй като широчината за забранената им зона е над 3 еV. Свойствата на SiC като полупроводник са отдавна във вниманието на изследователите, но едва през последните десетина години интересът рязко се засили. Причината е, че в сравнение със Si и GaAs някои негови характеристики значително превъзхождат тези на силиция. По-голямото му напрежение на пробив означава реализация на високоволтови прибори, по-голямата подвижност на електроните е предпоставка за по-бързата смяна на състоянието от отпушено в запушено и обратно и съответно за работа при високи честоти, а увеличената топлопроводност - за по-лесно охлаждане. Към това трябва да се прибави няколко пъти по-голяма плътност на тока и по-големите работни температури (теоретичната граница е 600 °С, докато при силиция е 300 °С). Последното, заедно с по-добрата топлопроводност означават и увеличаване на плътността на монтажа и съответно намаляване на размерите и теглото, както и по-просто или никакво охлаждане. Съществуват затруднения по овладяване на технологията за серийно производство, а и цената на пластините с приборите е по-висока (около 10 пъти през 2007 г), но те постепенно се преодоляват и количеството на предлаганите прибори бързо расте.

Първата стъпка в реалното приложение на SiC бе създаването на сини светодиоди за осветление, главно за тежки условия на работа. Сред силовите прибори основното засега производство е на диоди на Шотки (SiC Schottky Diode) в няколко разновидности - единични, двойни, еднофазни (Грец) и трифазни мостове. Обратните напрежения (Repetitive Peak Reverse Voltage) VRRM най-често са 600 V и по-рядко 300, 1200 и 2500 V, а постоянният ток в права посока (Continuous Forvard Current) IF е между няколко А и няколко десетки А. Важна особеност е напрежението върху отпушения диод (Forward Voltage) VF със стойности между 1,5 и 1,7 V, дължащо се на широката забранена зона. Това е недостатък, тъй като означава по-голяма статична разсейвана мощност върху отпушения диод. Волтамперните характеристики на SiC диод при различни температури, разкриват една полезна особеност - при дадено VF с увеличаване на температурата стойността на IF намалява. Този отрицателен температурен коефициент на IF позволява успоредно свързване на диоди без опасност от неравномерно разпределяне на токовете им.

Върху отпушения SiC диод не се натрупва пространствен заряд, както при силициевите диоди с p-n преход. Това е причината преходните процеси да се дължат само на паразитния капацитет CJ на прехода, върху който има количество електричество QC значително по-малко от Qrr на силициевите диоди. Поради това преходните процеси са значително по-кратки и с по-малък отскок на тока. На фиг. 1 е дадено сравнение на тези процеси на два диода 600V/10А - запушването на SiC диод е съпроводено с отскок на тока около 1,5 А и продължава 20 ns, които величини при това не зависят от температурата и големината на IF. Отскокът на тока на Si диод е между 4,5 и 9 А при време на преходния процес между 40 и 120 ns, като и двете величини значително нарастват с температурата. Подобна, макар и по-малка, е разликата между двата типа диоди във времената за преминаване от запушено в отпушено състояние. Всичко това означава значително по-малки динамични загуби в диодите от SiC, което е предимство при тяхното използване в схеми за корекция на фактора на мощност и ключови стабилизатори. Тъй като в тези схеми токовете при преходните процеси протичат през ключов транзистор, то намаляването им означава не само по-малка разсейвана мощност върху него (до десетина пъти), но и възможност той да е по-маломощен и с по-малко охлаждане. Друго съществено предимство на SiC диодите е, че допускат значително по-резки изменения на тока (по-големи di/dt), поради което съпротивлението в гейта на ключовия транзистор може да бъде намалено, а с това и загубите на мощност. Общият резултат от всички изброени особености е увеличаване на к.п.д. на схемите с 2-3%.

По-късите преходни процеси на диодите от SiC създават възможност за увеличаване на работната честота няколко пъти, с което се намаляват размерите на използваните бобини, включително тези в противосмутителните филтри. Така теглото на блок със споменатите схеми намалява с 30-40%, плътността на монтажа нараства с 50-60%, а габаритите са осезаемо по-малки.

Важно качество на всеки мощен диод е способността да издържа големи кратки токови импулси, определяна от параметъра амплитуда на еднократен импулсен ток в права посока (Non-Repetitive Peak Forward Current) IFSM. За по-нататъшното му повишаване е създадена комбинирана структура (Merged-Structure SiC Diode), наричана и второ поколение (SiC Diode 2G). В нея успоредно на прехода метал-полупроводник има p-n преход, който се отпушва само при импулси на тока и резултатът е увеличаване 3-4 пъти на IFSM в сравнение с обикновените SiC диоди.

В табл. 1 са дадени основните параметри на SiC диоди и диодни мостове.

Транзистори от SiC

Те са в начален стадий на своето развитие, като лабораторните разработки все още преобладават над предлаганите на пазара прибори. Съществуват биполярни транзистори и няколко разновидности на MOS транзистори, предназначени за работа като мощни ключове или за усилватели в GHz-овия обхват.

Биполярните транзистори са и от двете разновидности и се реализират с 4H-SiC. Лабораторните модели имат напрежение VCEO между 500 и 1800 V, а напрежението база-емитер за отпушване е около 2,5 V. Плътността на колекторния ток е между 200 и 1200 A/cm2, а специфичното съпротивление за затворения ключ - от 4 до 15 W.cm2. Например при типични размери на колекторния преход 1,2x1,4 mm, плътност 1000 A/cm2 и съпротивление 5 W.cm2 се получават колекторен ток 16,8 А, съпротивление на затворения ключ ron=84 mW и VCEsat=1,4 V. Фирмата TranSiC AB предлага биполярния транзистор BiTSiC-1206 за работа като ключ с V




ЕКСКЛУЗИВНО

Top