Мощни прибори, базирани на SiC

Стефан Куцаров

Изискванията към съвременната силова електроника налагат използването на полупроводникови прибори за сравнително високи напрежения, големи токове и съответно голяма разсейвана мощност, както и по-висока максимална температура. Това все по-трудно може да бъде постигнато чрез силициеви прибори. Проблемът засега е решен чрез използването на полупроводникови компоненти от SiC, благодарение на неговата около 3 пъти по-широка забранена зона (Wide Bandgap, WBG), приблизително 10 пъти по-голямата електрическа якост (Electrical Breakdown Field) и малко над 3 пъти по-добрата топлопроводност. 

Трябва да споменем, че вече е в ход изследователска работа за създаване на прибори на основата на диамант с около 70% по-широка забранена зона от SiC, над 300 пъти по-голяма електрическа якост и 4 пъти по-висока топлопроводност.

С най-голям относителен дял сред SiC приборите са MOS транзисторите (SiC MOSFET), постепенно нараства този на диодите на Шотки (SiC Schottky Barrier Diode, SiC SBD, SiC Juction Barrier Diode, SiC JBD) и сравнително малко са IGBT (SiC IGBT). Производителят UnitedSiC предлага полеви транзистори (SiC JFET), а реализацията на SiC базирани тиристори (SiC Thyristor) е на етап изследователска работа.

В статията са разгледани прибори, пуснати на пазара след 01.01.2017 г.

SiC диоди на Шотки

Предимствата им спрямо силициевите Шотки диоди са по-малката необходимост от охлаждане и съответно по-голяма разсейвана мощност при определени размери, повишената надеждност (гарантирана работа над 1012 часа) и к.п.д., по-високата честота на превключване, значително по-слабите преходни процеси при изключване и съответно намалени електромагнитни смущения, липсата на неконтролируемо повишаване на температурата (Thermal Runway) при паралелно свързване на диоди и по-ниската производствена цена на ползващите ги устройства. Характерни техни приложения са токоизправители, ключови стабилизатори, мощни токозахранвания, телекомуникационни системи, бързи зарядни за електромобили (EV Fast Charger), драйвери за електромотори, светодиодно осветление, инвертори за фотоволтаици.Един от основните параметри на SiC диодите на Шотки е максималното повтарящо се обратно напрежение  (Repetitive Peak Reverse Voltage) Vаса) и к.п.д., по-високата честота на превключване, значително по-слабите преходни процеси при изключване и съответно намалени електромагнитни смущения, липсата на неконтролируемо повишаване на температурата (Thermal Runway) при паралелно свързване на диоди и по-ниската производствена цена на ползващите ги устройства. Характерни техни приложения са токоизправители, ключови стабилизатори, мощни токозахранвания, телекомуникационни системи, бързи зарядни за електромобили (EV Fast Charger), драйвери за електромотори, светодиодно осветление, инвертори за фотоволтаици.

Един от основните параметри на SiC диодите на Шотки е максималното повтарящо се обратно напрежение (Repetitive Peak Reverse Voltage) V_RRM или даваното вместо него (DC Blocking Voltage) V_DC. Двете напрежения могат да имат стойности 600, 650, 700, 900, 1200 и 1700 V, а напрежението в права посока (Forward Voltage) V_F нараства с температурата. Друг параметър е максималният ток в права посока I_F, който намалява значително с увеличаването на температурата. Аналогична е зависимостта от температурата и на третия основен параметър – максималната разсейвана мощност P_D. В документацията стойностите на тези параметри се дават за две температури или графично.

Основен параметър са минималната и максималната температура на прехода T_j, но вместо тях може да се ползва температурата на корпуса Т_с. Специфичен е параметърът капацитивен товар (Total Capacitive Charge) Q_С, чиято стойност е правопропорционална на максималната честота на превключване. Този товар представлява количеството електричество, необходимо за зареждане на PN прехода след запушване на диода. Намаляването на Q_С води до по-бързо запушване на диода и следователно до увеличаване на максималната честота на превключване и намаляване на енергийните загуби при превключване (Switching Losses). Полезно е да се има предвид, че диодите от типа MPS (Merged PiN Schottky) са с повишена надежност.

Предназначеният основно за токоизправители диод C3D03060A на компанията Cree е с V_RRM и V_DC по 600 V, стойности на I_F от 11 А при Т_с=+25°С и 3 А при +158°С, мощности P_D от 47 W при Т_с=+25°С и 20 W при +110°С и Q_С =7,6 nC. На същия производител е C4D20120H с V_RRM=1200 V, I_F=54 A при Т_с=+25°С и 20 А при +156°С, като мощностите са P_D=246 W при T_c=+25°C и 106,5 W при +110°С. Количеството електричество е Q_C=99 nC. Предимствата на SiC диодите проличават от размерите на последния прибор – те са едва 21,5x16,3x5,31 mm при неговата висока P_D.

За масово разпространените схеми с повече от един диод съществуват двойни диоди (два в един корпус). Стойностите на техните I_F и P_D се дават за един диод и за двата едновременно. Такъв с отделни изводи на диодите е GD2X75MPS17N на компанията GeneSiC Semiconductor c V_RRM=1700 V, I_F=115/230 A при Т_с=+75°С и 75/150 А при +127°С, P_D=556/1112 W и Q_C=1048 nC. Сред малкото диоди с V_RRM=3300 V e GAP3SLT33-220FP на същия производител. Той е с I_F=0,3 A при температура на изводите му T_L до +125°С и P_D=89 W при T_L=+25°С. Специфични приложения на двойните диоди са високоволтови ключове, умножители на напрежение, медицински апарати и др.

Дадените дотук диоди са с изводи за платки с отвори. Съществуват модели за повърхностен монтаж, какъвто е I_DK02G120C5 на Infineon c V_RRM=1200 V, I_F=11,8 A при T_c=+25°C и 2 A при +168°C, P_D=75 W при T_c=+25°C и Q_C=14 nC. Според графиката P_D(T_c) при T_c=+150°C мощността намалява на 12 W.

Също за повърхностен монтаж е MSC030SDA120S на Microsemi (част от Microchip). Диодът е с V_RRM=1200 V, ток I_F=65 A при T_c=+25°С и 24 А при +145°С, мощност P_D=259 W при T_c=+25°C и Q_C=130 nC. Независимо от големите P_D корпусът е с размери 16,2x14x5,1 mm. Диодът BD20060T на Mitsubishi Electric e c V_RRM=600 V и I_F=20 A.

Сред най-новите диоди е FFSM2065B на ON Semiconductor, предлаган от юли 2020 г. Той е с V_RRM=650 V, I_F=20 A при T_c<+143°, мощности P_D=160 W при T_c=+25°C и Q_С =51 nC. Диодът SCS302AH на ROHM е сред тези с много малък Q_С, чиято стойност определя малкото време на превключване (Switching Time) t_C от 11 ns. Останалите му базови параметри са V_RRM=650 V, ток I_F=2,15 A при T_c=+145°C и P_D=22 W при T_c=+25°С.

Предназначеният основно за автомобилна електроника диод STPSC20H12-Y на STMicroelectronics отговаря на изискванията на стандарта AEC-Q101. Освен за зарядни устройства се препоръчва и за схеми за корекция на фактора на мощността (PFC). Диодът е с V_RRM=1200 V, I_F=20 A при T_c=+155°C и има Q_C=129 nC. Сред последните новости е и двойният диод TRS24N65FB на Toshiba Electronic Devices с общ извод за двата катода и охлаждащата пластинка. Основните му параметри са V_RRM=650 V, I_F=2x12 A, P_D=2x115 W при T_c=+25°С и Q_C=30 nC.

Сравнително малко са предлаганите като чипове диоди, като типичен техен представител е CPW5-1700-Z025A на Cree, който има V_RRM=1700 V, I_F=25 A и Q_C=255 n_C.

SiC MOSFET

Тази категория SiC полупроводникови прибори вече се наложиха като единствените мощни транзисторни ключове и реално изместиха от производство тези, реализирани с биполярни транзистори. Сред причините за това са:

• Ниското съпротивление в затворено състояние (Drain-Source ON Resistance) R_DSon, което определя малкия пад на напрежение дрейн-сорс при големи постоянни токове на дрейна, намалената поради него разсейвана мощност и съответно малките енергийни загуби в проводящо състояние (Conduction Losses). Тази мощност, заедно с добрата топлопроводност на SiC, и тук позволява максималната температура Tj обикновено да достига +175°С.
• Улесненото охлаждане на транзисторите и още повече липсата на необходимост от радиатори в някои случаи, която помага за намаляване на размерите, теглото и цената на модулите.
• Работата при сравнително високи честоти поради малките паразитни капацитети с резултат намаляване размерите на външите елементи на транзисторите.
• Малките отскоци на обратното напрежение дрейн-сорс при запушване и съответно намаляване на енергийните загуби при превключване.

Основните параметри на SiC MOSFET са максималните напрежение дрейн-сорс (Drain-Source Voltage) V_DSS (или VDS), ток на дрейна (Continuous Drain Current) I_D и разсейвана мощност (Power Dissipation) P_D. Към тях се прибавя R_DSon, което нараства с температурата. Практически всички мощни SiC MOSFET са с N-канал и обогатяване (N-Channel Enhancement Mode) заради отпушването им с положително напрежение гейт-сорс (V_GS).

На фиг.1а са показани основните изводи на SiC MOSFET, а на фиг.1б е подобрената разновидност с допълнителен извод Driver Source, към който се подава V_GS. Класическите диоди, поставяни в MOSFET за ограничаване на обратното V_DSS, също са SiC. Полезно е да се има предвид, че вградената в корпуса на мощните SiC MOSFET охлаждаща пластинка е и извод на дрейна им.

Транзисторът C3M0015065K на Cree е от разновидността, показана на фиг.1б с V_DSS=650 V, I_D=120 A при Tс=+25°C и 96 А при +100°С, има P_D=416 W при Т_с=+25°С (когато Tj достига +175°С) и R_DSon=15 mΩ. Стойността на P_D е осигурена с корпус 23,6x16,1x5,21 mm. За V_DSS=1700 V е C2M004517P на същия производител с типично приложение в инверторите за фотоволтаици. Този транзистор също е от разновидността на фиг.1б, има I_D=72 А при T_c=+25°С, P_D=520 W при T_c=+25°C, когато Tj достига +175°С, и R_DSon=45 mΩ.

Необходимостта от голяма надеждност на електронните компоненти за автомобилостроенето налага мощните MOSFET да отговарят освен на изискванията на AEC-Q101, да са и “РРАР Capable”, т.е. производството им да спазва условията на Production Part Approval Process. Изискванията на РРАР са параметрите на приборите да са измервани не в лабораторни условия, а на произведени екземпляри. Такъв е E3M0280090D на Cree от разновидността на фиг.1а с V_DSS=900 V, I_D=11,5 A при Т_с=+25°С, P_D=54 W при Т_с=+25°С и R_DSon=280 mΩ.

Пример за по-рядко използваното V_DSS=700 V е MSC015SMA070B на Microchip (Microsemi). Изводите му са според фиг.1а, има I_D=140 A при Т_с=+25°С и 99 А при +100°С, P_D=455 W при Т_с=+25°С и R_DSon=15 mΩ. На същия производител и от същата разновидност е MSC035SMA170B с V_DSS=1700 V, I_D=68 A при Т_с=+25°С, P_D=370 W при Т_с=+25°С и R_DSon=35 mΩ. Отново за AEC-Q101 е BM080N120SJ на Mitsubishi Electric c V_DSS=1200 V, I_D=38 A при Т_с=+25°С и R_DSon=80 mΩ. Транзисторът е част от серия от 3 модела с I_D на другите два 68 А и 102 А. Също за по-рядкото V_DSS=900 V e NTBG020N090SC1 на ON Semiconductor от разновидността на фиг.1б, който има I_D=112 A при Т_с=+25°С, P_D=477 W при същата температура и R_DSon=20 mΩ. Корпусът му е със 7 извода за повърхностен монтаж, от които 5 са на сорса.

За сравнително маломощни товари е SCT3160KW7 на ROHM от разновидността на фиг.1б с V_DSS=1200 V, I_D=17 A при Т_с=+25°С и 12 А при +100°С, P_D=100 W и R_DSon=160 mΩ. Сред все още малкото транзистори с максимална Tj=+200°С е SCT1000N170AG на STMicroelectronics от разновидността на фиг.1а и съответстващ на стандарта AEC-Q101. Той е с V_DSS=1700 V, I_D=7 A при Т_с=+25°С, P_D=96 W при Т_с=+25°С и R_DSon=1 W. Главно за високоволтови ключови стабилизатори е TW070J120B на Toshiba Electronic Devices от разновидността на фиг.1а c V_DSS=1200 V, I_D=36 A при Т_с=+25°С и 25,5 А при +100°С, P_D=272 W при Т_с=+25°С и R_DSon=70 mΩ.

Транзисторите SiC Trench MOSFET са с гейт, перпендикулярен на успоредните плоскости на сорса и дрейна, като принципно тяхно предимство е малкото R_DSon. Типичен пример е IMBG120R045M1H на Infineon от разновидността на фиг.1б с V_DSS=1200 V, I_D=47 A при Т_с=+25°С и 33 А при +100°С, P_D=227 W при Т_с=+25°С и 113 W при +100°С и R_DSon=45 mΩ. Корпусът му е за повърхностен монтаж със 7 извода, пет от които са на сорса. За по-маломощни товари е транзисторът IMBG120R220M1H на същия производител от разновидността на фиг.1б и със същия корпус, който има V_DSS=1200 V, I_D=13 A при Т_с=+25°С, P_D=83 W при Т_с=+25°С и R_DSon=220 mΩ.

Транзисторите с наименование SiC Power MOSFET bare die са чипове за вграждане в модули. Техният сорс е разделен на 2 или 3 островчета за намаляване на R_DSon, съответно увеличаване на P_D и захранване на мощни товари. Едно от приложенията им е в инвертори за фотоволтаици. Такъв е транзисторът NTC080N120SC1 на ON Semiconductor от разновидността на фиг.1а и основни параметри V_DSS=1200 V, I_D=31 A при Т_с=+25°С и 22 А при +100°С, P_D=178 W при Т_с=+25°С и R_DSon=80 mΩ. Компанията ROHM Semiconductor произвежда S4003 от разновидността на фиг.1а с V_DSS=650 V, I_D=118 A при Т_с=+25°С и R_DSon=17 mΩ.

SiC модули

Основното им предназначение, подобно на други видове модули, е захранване на по-мощни товари в сравнение с дискретните прибори, като често използваното им означение е SiC Diodes Power Module.

Диодни модули (SiC Diode Module). Реализират се с диоди на Шотки и се използват в ключови стабилизатори (SMPS), непрекъсваеми захранвания (UPS), инвертори, конвертори, токоизправители за повишени честоти, индукционни нагреватели, заваръчно оборудване и др. Основните им параметри са максималното обратно напрежение V_R и максималният постоянен ток в права посока I_F.

Най-простата им разновидност е с два самостоятелни диода (Dual SiC SBD), какъвто е MSC2X31SDA120J на Microsemi с V_R=1200 V и IC=30 A. Друг тип са два диода със свързани катоди (фиг. 2а) с типичен представител MSCDC100KK170D1PAG на същия производител с V_R=1700 V и I_F=100 A. Полумостовите модули (SiC Diode Phase Leg) със схема на фиг.2б се използват за реализация на мостови (SiC Diode Full Bridge) и трифазни (SiC Diode 3 phase Bridge) токоизправители. Такъв е MSCDC300A120AG на Microsemi c V_R=1200 V и I_F=300 A. Модул на мостов токоизправител е MSCDC200H170AG на същия производител с V_R=1700 V и I_F=200 A. Трифаззен модул е MSCDC50X1201AG отново на Microsemi c V_R=1200 V и I_F=50 A, корпус с 16 извода (фиг.1в) и размери 51,6x42.5x17,8 mm.

MOSFET модули. За предпазването им от повреда, когато температурата в тяхната вътрешност надхвърли определена стойност, те често са с вграден термистор с отделни изводи за свързване към външна схема за контрол.

Най-масово разпространени са полумостовите модули (същността на схемата им е на фиг. 2г) с приложения в UPS, DC/DC преобразуватели, инвертори, индукционни нагреватели, захранване на електродвигатели, фотоволтаици, ветрогенератори, електромобили и зарядни станции. Основните им параметри са максималните напрежение дрейн-сорс V_DS на транзисторите и техен ток на дрейна I_D.

Модулът CA876M12HM3 на Cree e c VDS=1200 V и I_D=1015 A при Т_с=+25°С и 765 А при +90°С, когато максималната температура на транзистора е +175°С. За същото V_DS и I_D=150 A e предназначеният основно за електромобили FF08MR12W1MA_B11A на Infineon Technologies. От производителя ROHM Semiconductor е BSM600D12P3G001 с обратно свързани на транзисторите диоди на Шотки. Параметрите му са VDS=1200 V и I_D=600 A при Т_с=+50°С. С диоди на Шотки е и SKM350MB120SCH17 на Semikron със същото VDS, стойност на I_F от 187 А при Т_с=+25°С и 143 А при Т_с=+80°С. Специфична за модула е възможността за работа при повишена влажност в съответствие с HV-H3TRB. С VDS=1200 V, I_D=478 A при Т_с=+25°С е SKM350MB120SCH15 на същия производител. Два самостоятелни полумоста съдържа FMF400BX-24A на Mitsubishi Electric с VDS=1200 V и I_D=400 А на всеки от тях. При размери на модула 121,7x92,3x17 mm той може да разсейва 1485 W при Т_с=+25°С.

В повишаващите модули (Boost Power Module) се използват последователно свързани MOSFET и SiC диод на Шотки, а самите модули съдържат две самостоятелни такива части. Такъв е NXH40B120MNQ0SMG на ON Semiconductor c VDS=1200 V и I_D=38 A при Т_с=+80°С. Неговата P_D=118 W определя размери на корпуса 55,2x32,8x11,9 mm. Друг типичен модул е SK35MLLE120SCp на Semikron със същото V_DS и I_D=36 A.

Хибридните модули (Hybrid SiC Module) са реализирани с класически IGBT и SiC диоди на Шотки. Характерните им приложения са в електрозадвижвания, UPS, сервоусилватели. Основните параметри са максималните напрежения колектор-емитер VCE на IGBT и колекторен ток IC. Същността на хибридните модули се изяснява чрез структурата на полумостовия инвертор на фиг.3.

Типичен техен представител е 2MSI600VAN-120-53 на Fuji Electric с V_СЕ=1200 V, IC=750 A при Т_с=+25°С и 600 А при +100°С. За същото V_СЕ и токове I_C=312 A при Т_с=+25°С и 236 А при 80°С е SKM200GB12F4SiC3 на Semikron.

Трифазните хибридни модули се реализират с 3 схеми като тази на фиг.3 и едно от характерните им приложения е в инвертори за фотоволтаици. Пример е SKiiP25AC12F4V19 на Semikron с V_СЕ=1200 V и I_С на всеки от трите клона от 72 А при Т_с=+25°С и 58 А при +70°С.