Новости при SiC и GaN базираните силови компоненти – част II

• Електронните предпазители (e-fuse) със SiC MOSFET ключов елемент могат да регистрират и прекъснат проблемна верига, през която протича много висок ток, в рамките на микросекунди
  
  
• При военните радари в GHz обхват галиевият нитрид се оказва идеалното решение за монолитни генераторни предавателни интегрални схеми, заменяйки класическата технология, базирана на клистронови лампи

В първата част на статията, публикувана в бр. 8/2023 на сп. Инженеринг ревю, бяха представени спецификите и предимствата на мощните полеви (FET) транзистори, изградени на базата на галиев нитрид (GaN) и силициев карбид (SiC), и основните им приложения в автомобилостроенето и индустрията. Тук продължаваме с информация за най-интересните особености и характеристики на съвременни силови прибори и модули от водещи произдводители.

Някои от параметрите на новите базирани на силициев карбид модули на Infineon от серията CoolSiC са представени в Таблица 1. FF1MR12KM1H представлява MOSFET полумостов (half-bridge) модул с работно напрежение 1200 V @ 1,5 mW, 300 А / импулсно 600 А в стандартен 62 mm корпус, комбиниран с M1H технология (Фиг. 1)

Модулът се предлага и с предварително инсталиран термичен интерфейсен материал (TIM). Освен типичните за SiC приборите характеристики, той осигурява висока издръжливост на влага, висока издръжливост към космически лъчения и има симетрична стандартна конструкция. Типичните му приложения включват батерии (и различни системи за акумулиране на енергия), зареждане на електрически превозни средства, фотоволтаични системи, непрекъсваеми захранвания (UPS). FF4MR20KM1H e подобен модул, но с по-високо работно напрежение 2000 V @ 3,5 mW, 560 А / импулсно 1120 А, също в 62 mm вариант. Подходящ е за всички приложения на FF6MRXXXX, както и за задвижвания.

Новите модули на производителя Semikron Danfoss от серията Semitop E1/E2 съчетават предимствата на SiC приборите със стандартни индустриални корпуси, ниска индуктивност до 4 nH, наличие на Келвин източник и температурен сензор във всички модули. Фамилията е с токове от 40 А до 250 А и е базирана на 1200 V SiC MOSFET. Топологиите обхващат Half-Bridge, H-bridge, Sixpack (3-фазен) и TNPC. SK40/80MD102CRxxxxxx се предлага за работни токове от 49 до 101 А, а при SK150/200/250MB120CRxxxxxx диапазонът от работни токове е 192 – 280 А.

Модулната платформа еmPACK на Semikron Danfoss е разработена специално за инверторни архитектури в обхвата от 100 – 750 kW. Модулите могат да работят със 400/800 V базирани системи. Комбинацията от SiC технологията със синтерованата метална подложка и специалния начин за закрепяне на полупроводниковия чип (DPD) осигурява максимална компактност и енергийна плътност на единица площ, като според производителя е постигната високата надеждност, изисквана от автомобилните приложения. Осигурени са и лесни за използване развойни китове, които спестяват време и разходи за разработка (Фиг. 2)

Електронни предпазители (e-fuse)

Високоволтовите електрически подсистеми в електрическите и хибридните превозни средства (BEVs – Battery Electric Vehicles, HEVs – Hybrid Electric Vehicles) изискват механизъм, който да предпазва батериите от претоварване или късо съединение, които могат да доведат до тежки и необратими последици. Понастоящем класическото решение са високоволтови контактори, които използват различни технологии за надеждно функциониране при високи напрежения и токове (от десетки и стотици ампери при напрежения до 800 VDC и повече). Производителите взимат специални мерки за погасяване на електрическата дъга, която възниква в редица случаи на сработване, използват се и специални еднократни предпазители и пиро-предпазители, които са обемисти и скъпи. Но след възникване на дъга обикновено контакторите трябва да се сменят, или в по-лошия случай могат да се окажат напълно разрушени или заварени и неспособни повече да прекъснат веригата.

Ето защо фирмите производители на силови полупроводникови прибори работят върху технологии, които могат да заместят електромеханичните контактори с полупроводникови (solid-state) системи. Поради това, че са интегрирани полупроводникови решения, електронните предпазители (e-fuse) могат да регистрират и прекъснат проблемната верига, през която протича много висок ток, в рамките на микросекунди. Това е от 100 до 500 пъти по-бързо, отколкото при традиционните механични методи. Краткото време на реакция намалява в пъти пиковите токове при претоварване и късо съединение. Така техните типични стойности от порядъка на няколко хиляди ампера се ограничават до няколкостотин ампера, което ефективно намалява вероятността моментен проблем да се разрасне до необратима повреда.

Интересно средство за запознаване с възможностите на електронните предпазители е демонстрационният модул на Microchip, изпълнен в 6 различни варианта за 400 – 800 V системи с работен ток до 30 А (Фиг. 3). Ключовият елемент тук е MSC035SMA070 – 700-волтов SiC MOSFET, 35 mW, 65 – 77 A @ 25°C, Junction temp. -55 – 175°C и корпуси D3PAK/TO-247. Възможен MOSFET драйвер тук e TC4432 на същия производител. За 800 V и по-високи напрежения и токове SiC транзисторът трябва да бъде сменен с друг, с по-високо работно напрежение.

Радиочестотни приложения с висока мощност

Галиевият нитрид е подходящ също и за радио приложения, с висока честота и висока мощност. Сравнен с традиционните технологии (Si, GaAs), GaN се е доказал като превъзхождащ материал в областта на радио приложенията. По време на производствения процес, GaN обикновено израства при температури над 1000°C, върху силициева подложка в случай на силови приложения, и върху SiC в случай на радио приложения. Технологията, базирана на GaN върху SiC, засега е най-използвана, защото комбинира високата енергийна плътност на GaN с малките загуби на SiC, както и защото решава проблеми с охлаждането и паразитните загуби. Използването на по-евтината технология GaN върху SiC води до по-високи топлинни загуби и по-високи загуби на радиосигнала.

Въпреки че галиевият нитрид често се свързва с класически радиочестотни приложения, като усилватели на мощност (PA), той има и много други радиочестотни приложения. Постоянно нарастващите нива на мощност и ефективност, постигани от тези прибори, ги правят привлекателни, особено в приложения в космическия и военния сектор (най-вече за военни радари). Добрата устойчивост, отличните топлинни характеристики, намаленото тегло и размери позволяват на този материал да бъде по-добър избор при други видове конкурентни технологии, дори при нискочестотни радио приложения. Във военните радари в GHz обхват, галиевият нитрид се оказва идеалното решение за създаване на монолитни генераторни предавателни интегрални схеми, заменяйки класическата технология, базирана на клистронови лампи. Най-новото поколение военни радари, работещи с електронно сканирани решетки (AESA) и модули с фазова решетка, се възползват значително от наличието на GaN-on-SiC монолитни микровълнови интегрални схеми (MMIC) и HEMT модули

Приложенията на GaN технологията обаче не се ограничават само до космическия сектор и военните радари. В областта на радио комуникациите, по-специално при мобилните 5G базови станции характеристиките на GaN се оказват идеални за ефективно управление както на честотната лента под 6 GHz, така и на тази над 20 GHz. За да се изпълнят строгите изисквания на 5G мрежата (висока скорост на предаване на данни, мащабна широколентова връзка и кратко време за превключване), е възможно да се използват GaN базирани компоненти, работещи на високи честоти (28 – 39 GHz), което води и до намаляване на размера на антенните модули. В Таблица 2 е представен набор от усилватели на Microchip, работещи в широк честотен диапазон и с различно усилване, базирани на GaN. На Фиг. 4 е даден пример за тристъпален MMIC усилвател, изпълнен с ICP1543 (22 dB @ 12 – 18 GHz), който се предлага като безкорпусен чип.

Производителят Wolfspeed/Cree също разполага с широко портфолио от усилватели, базирани на GaN. Типичен техен представител е CMPA2735075F, 27 dB @ 2,7 – 3,5 GHz, с диапазон на работни температури от -65 до 225°C и компактен корпус с площ 1,3 cm2. Принципната схема на предлагания развоен кит е показана на Фиг. 5. Благодарение на по-добрите параметри на GaN в сравнение със Si и GaAs, включително по-високо напрежение на пробив, по-висока мобилност на електроните и по-висока топлопроводимост, приборът е особено подходящ за S-обхвата (2,0 – 4,0 GHz) и съответно както за граждански цели, така и за военни радари. GaN HEMT също така осигуряват по-голяма енергийна плътност и по-широка честотна лента в сравнение с Si и GaAs транзисторите. Този MMIC съдържа реактивно съгласуван монолитен двустепенен радио усилвател, който позволява работа в много широка честотна лента.

Подобен пример за HEMT усилвател е произвежданият от MACOM MAGx-01106, 9 dB @ DC – 6 GHz в стандартен QFN корпус с площ 4 mm2. Широката му честотна лента предполага разнообразни приложения – граждански и военни комуникации, индустриални системи и комуникационна инфраструктура.
Усилвателят на Qorvo THA2312-FL е друг характерен представител на GaN HEMT MMIC технологията с усилване 13 dB @ 9 – 10 GHz и 17,4 х 24 х 3,9 mm Cu-W термично оптимизиран корпус. Интегралната схема e предназначена за морски и атмосферни радари, като може да работи в линеен или импулсен режим.