Съвременни SiC и GaN прибори за силови приложения

Mощните полупроводникови прибори и модулите на тяхна основа вече са задължителни за осигуряване на функционирането и постигане на желаните параметри на все повече изделия на силовата електроника в индустрията, енергетиката и транспортната техника. Един от ефективните начини за подобряване на характеристиките им (намаляване на енергийните загуби, увеличаване на доставяната мощност от единица обем на изделието и намаляване на размерите и теглото) е замяна на масово разпространения в производството на приборите силиций с други полупроводници.

Многогодишната изследователска работа очертава засега като най-подходящи SiC и в по-малка степен GaN за производството на прибори, на чиято основа се изгражда новото поколение силови системи. В статията се дават кратки сведения за двата полупроводника и се описват видовете базирани на тях прибори с многобройни конкретни примери и области на приложение. Отделено е място на модулите за вграждане в апаратури и са дадени примери за съвременни изделия с тях.

Същност на SiC и GaS мощни прибори
От около 150 разновидности на SiC реално се използва само 4H-SiC, чието означение отразява специфичната структура на неговия кристал. Широчината на забранената му зона е приблизително 3 пъти по-голяма от тази на силиция, а пробивното напрежение – практически 10 пъти по-голямо, което позволява създаване на високоволтови прибори, чиято реализация от силиций е невъзможна.

Свойствата на SiC се запазват до температура малко над 600 °С, което предимство се потвърждава от изследванията на експериментални модели на транзистори и сензори. Засега по технологични причини се произвеждат прибори с максимална работна температура 225 °С.

Тъй като в силовата електроника полупроводниковите прибори работят основно като ключове, съществена особеност е, че затворен ключ от SiC има типично 5 пъти по-малко съпротивление от силициев ключ със същата структура, което означава по-малка разсейвана мощност при даден ток и по-голям ток за определена мощност. Около 3 пъти по-малка е и разсейваната мощност при превключване. Не по-малко предимство е приблизително 2,5 пъти по-голямата топлопроводимост на SiC, т. е. освен по-малкото нагряване, приборите се охлаждат по-добре.

Резултат от всичко това са възможностите за реализация на високоволтови прибори за работа при високи температури, на такива с малки размери и опростено или никакво охлаждане и на по-плътен монтаж (по-малки и леки апаратури). Недостатък на SiC е с около 50% по-малката подвижност на преминаващите през него електрони, което реално не позволява създаването на високочестотни прибори.

За да се подчертае важността на приборите от SiC, може да се добави, че водещи световни производители на електротехнически апарати и оборудване (например ABB) са създали свои научноизследователски центрове за разработване на технология.

Галиевият нитрид е практически със същата широчина на забранената зона както SiC и 15 пъти по-голямо пробивно напрежение от Si и подобна на него подвижност на електроните и топлопроводимост. В сравнение със SiC това означава възможност за реализация на още по-високоволтови прибори, но не с толкова големи токове.

Предимство на GaN спрямо SiC е по-ниската му цена. През следващите години се очаква разширяване на приложенията на приборите от GaN, особено в областта на ключовите стабилизатори, чрез увеличаване на работната им честота до стотина MHz (при ползване на Si прибори тя е под 10 MHz) и съответно намаляване на размерите им, както и на разсейваната мощност под 1% от тази на товара.

Първите стъпки за реализацията на прибори от SiC и GaN са направени преди повече от 20 години, но бързо нарастващите им съвременни приложения се дължат в значителна степен не само на подобряването на структурата и параметрите им, но и на намаляване на производствените разходи.

SiC диоди
За намаляване на пада на напрежение върху отпушените диоди и съответно разсейваната мощност върху тях, основно се използват диоди на Шотки с множество конструктивни различия и наименования Schottky Barrier Diode (SBD), Junction Barrier Diode (JBD), Schottky Diode и Schottky Rectifier. Предимство спрямо силициевите диоди са и около 3 пъти по-малките енергийни загуби при смяна на състоянието им от отпушено в запушено и обратно.

В голяма част от приложенията диодите са в режим на непрекъсната смяна и затова е важно доколко загубите зависят от честотата – при Si диоди те нарастват с нея, докато при SiC са неизменни. Това означава възможност за работа при по-високи честоти, където част от елементите на устройствата са с по-малки размери и тегло. Напрежението върху отпушените SiC диоди нараства с увеличаване на температурата им за разлика от Si диоди, където то намалява.

Същественото предимство е възможността за успоредно свързване на SiC диоди. По-късите преходни процеси при смяна на състоянието им изисква по-малки по размери и тегло противосмутителни филтри, а в много случаи и избягването на допълнителни елементи, необходими на Si диоди за осигуряване на нормалната им работа.

Максималният постоянен ток на SiC диоди е в зависимост от модела и типичните му граници са от части от ампера до няколко стотици ампера. Вторият основен параметър е максималното обратно напрежение с типични стойности между 600 и 1700 V и рядко до 8 kV.
Един от масово използваните типове са самостоятелните диоди (един диод в корпус), примери за каквито са TRS6E65C за 650 V/6 А, APT30SCD120B за 1200 V/30 A и GB50SLT12-247 за 1200 V/100 A.

Съществуват двойни диоди (два в корпус), които може да са със свързани катоди, например TRS24N65D за 650 V/12 A (токът е за всеки от диодите – per leg), да са самостоятелни, например APT2X61DC120J за 1200 V/60 А или свързани последователно, например STPSC6TH13TI за 650 V/6 A. В каталозите двойните диоди често са в раздел „Мощни модули” (SiC Diode Power Module).

Типичните приложения на SiC диоди са в преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение (DC-DC Converter), ключови стабилизатори (SMPS), схеми за подобряване на фактора на мощността, инвертори за фотоволтаици и вятърни генератори, управление на електродвигатели, системи за индукционно нагряване.

През последните години се засили интересът към реализацията на високоволтови диоди с максимално напрежение вече надхвърлящо 20 kV в експериментални модели. Сред сравнително специфичните им области на приложение засега са умножители на напрежение, запалителни системи, в нефтодобивната и военната промишленост. Такива са pin диодите (SiC PiN Diode, SiC PiN Rectifier), чието наименование показва наличието между n и р слоевете на тяхната структура на стотина пъти по-дебел от тях слой с много по-голямо съпротивление (реално имащ поведение на изолатор), благодарение на който се осигурява желаното обратно напрежение.

Все още обемът на производство е по-ограничен в сравнение с другите SiC диоди, а един от типичните примери е GA01PNS150-200 с обратно напрежение 15 kV, максимален ток 1 А и работен температурен обхват от -55 до +175 °С (температура на самия кристал, а не околна). От същия тип е GA01PNS08-220 за напрежение 8 kV и ток 2 А. Сред малкото изключения на високоволтов диод на Шотки е GAP3SLT33-214 за 3300 V/0,3 A.

SiC MOSFET
Наименованието им показва, че това са MOS транзистори с изолиран гейт, реализирани в кристал от SiC. Те работят в режим на обогатяване (Enhancement Mode), т. е. без управляващо напрежение на гейта им G имат поведение на отворен ключ, който се затваря при подаване на такова над определена стойност.

Следователно между изводите си дрейн D и сорс S транзисторът действа като ключ, който се отваря и затваря съответно без и със постоянно напрежение на G, т. е. SiC MOSFET работят като ключ, управляван с напрежение. Основната причина за избора на този режим е, че при прекъсване (например поради повреда) на захранващото напрежение на схемата, в която са свързани, ключът сам се отваря и прекъсва веригата на управлявания от него товар.

Основните им параметри са максимално допустимото напрежение върху отворения ключ VDSmax, максималният му постоянен ток в затворено състояние ID и съпротивлението RDS(on) на ключа. Важно е да се добави, че VDSmax е и най-голямото възможно напрежение на управляваните товари. Логичен е стремежът на производителите да създават транзистори за силовата електроника с големи стойности на първите два параметъра (високоволтови и мощни) и малко съпротивление, за да се приближават до идеалния ключ.

При това не трябва да се забравя, че токът през затворения ключ отделя върху него мощност (достигаща няколко стотици W), която се превръща в топлина. Подобно на SiC диодите и тези транзистори работят в режим на непрекъснато отваряне и затваряне на ключа, поради което не по-малко съществен за приложенията им параметър е максимално допустимата честота (тя е броят на циклите отваряне-затваряне за 1 s).

Към общите предимства на SiC се прибавят специфични за тези транзистори бърза смяна на състоянието на ключа и съответно малки излъчвани смущения, слаба зависимост на съпротивлението на затворения ключ от температурата (намаляване на енергийните загуби), възможност за работа до сравнително високи честоти и до по-високи температури на кристала (в момента има транзистори с 225 °С), намаляване на размерите на приборите и лесно паралелно свързване на ключовете. Към това трябва да се прибави по-голямата им максимална честота в сравнение с тази на IGBT с допълнителен SiC диод.

Типични приложения на SiC MOSFET са в ключови стабилизатори, схеми за подобряване на фактора на мощността, комуникационни и индустриални (вкл. за плазмена и лазерна обработка) апаратури, управление на електродвигатели, UPS, мощни конвертори за локални (Micro-Grid) енергийни мрежи вкл. реализация на т. нар. полупроводникови трансформатори (Solid-State Transformer), които по своята същност са DC-DC преобразуватели, конвертори за фотоволтаици, високоволтови зарядни устроства (напр. станции за електромобили), възобновяеми източници на енергия, осигуряване работата на високоволтови товари с капацитивен характер, в авиационни и космически апаратури. Характерен пример е 75-киловатов инвертор за стартиране на двигателите на пътнически самолет и електрозахранване на кабината, който се е оказал с 500 kg по-лек при реализацията му със SiC MOSFET.

Максимално допустимото напрежение на SiC MOSFET е в границите от 900 до 1700 V, максималният ток на затворен ключ между 5 и 90 А и типични стойности на неговото съпротивление от 25 милиома до един ом.

Особеност на структурата на SiC MOSFET е, че при формирането й между D и S се образува диод, който при нормалната им работа (D е положителен спрямо S) е запушен и не оказва влияние, но не позволява наличието на нежелани и дори опасни напрежения с обратна полярност. Типични примери за транзистори са SCT30N120 с основни параметри 1200 V/45 A/80 mW, C2M1000170D c 1700V/5 A/1 W и C2M0025120D c 1200 V/90 A/25 mW.

В немалко приложения на SiC MOSFET се налага свързването на външен диод между D и S. За избягване на свързаното с това нежелано увеличаване на размерите на устройствата вече се произвеждат транзистори, в които той е вграден (SiC MOSFET+SiC-SBD), пример за какъвто е SCH2080KE за 1200 V/40 A/80 mW. Има сведения за разработването на подобен с наименование SiC DioMOS с ток 150 А и съпротивление 6 mW.

Други SiC прибори
С твърде ограничени приложения главно в мощни усилватели са SiC JFET, чието означение показва, че са полеви транзистори с PN преход (JFET), реализирани в SiC. Пример е SJEP120R100A с 1200 V/17 A/80 mW и работна температура на кристала -55ё+150 °С. За приложения в управлението на електродвигатели, ключови стабилизатори, UPS и машини за заваряване се ползват техни каскодни схеми (последователно свързване на два транзистора), които обикновено се реализират като модули. В APTJC120AM13VCT1AG са използвани 16 транзистора от споменатия вид за реализация на ключ 1200 V/100 A/13 mW.

Биполярните SiC транзистори (SiC Junction Transistor) се използват за работа като мощни ключове и имат предимство спрямо SiC MOSFET в по-големите достигнати максимални стойности на тока и по-малкото RDS(on). Примери са GA100JT12-227 c 1200 V/160 A/10 mW и GA50JT17-227 c 1700 V/100 A/20 mW.

Областите им на приложение са като на SiC MOSFET, но се използват значително по-рядко поради необходимостта управляващата ги схема да осигурява ток (в примерите около 1% от този на товара), което усложнява и оскъпява ползващите ги апаратури и увеличава енергийните загуби.

Тиристорите от SiC (SiC Thyristor) се използват главно за високи напрежения, които не могат да бъдат осигурени от други прибори. Характерните им приложения са в инвертори за фотоволтаици и ветрогенератори и високоволтови DC-DC преобразуватели. Пример е GA080TH65 за 6500 V/80 A с работна температура -55ё+150 °С.

SiC модули
Предназначени са за вграждане в устройства и представляват печатна платка със SiC прибори и други елементи, поставена в подходящ корпус.

Модули с диоди. Първият тип на двойните диоди вече бе споменат в раздел SiC диоди, а другите модули са диодни мостове (SiC Diode Full Bridge Power Module). Освен очевидното им приложение за токоизправители на електронни системи, те имат и индивидуални приложения, например в машини за заваряване и за индукционно нагряване. Ползването на SiC в мостовете осигурява възможност за по-просто охлаждане, непоследствено монтиране върху радиатор и създаване на малки смущения в процеса на работата им. Пример е APT40DC120HJ за 1200 V/40 A.

Модули с MOSFET. Първият тип е класическата полумостова схема от два последователно свързани транзистора. Тези модули се използват за управление на електродвигатели, реализация на инвертори и конвертори, във фотоволтаици и вятърни генератори, в системи за индукционно нагряване.

Примери са BSM180D12P2C101 за 1200 V/180 A и FMF1200DX1-24A за 1200 V/1200 A. Модулите също с два транзистора, но самостоятелни, имат основни приложения за постояннотокови захранвания, инвертори за фотоволтаици, за подобряване на фактора на мощността (Full SiC PFC) и др. Като примери могат да се посочат 10-PZ12B2A040MR01-M300L68Y за 1200 V/30 A и PSF20В91А6-А за 600 V/20 A.

Следващият тип са модули с два полумоста и многобройни индустриални приложения, особено за инвертори. Основното им предимство спрямо аналогичните инвертори с IGBT е значително по-малката (до 3 пъти) разсейвана мощност. Сред типичните примери е FMF800DX-24A, всеки от транзисторите в който е с RDC(on)=3 mW. Размерите на модула са 121x62 mm, заеманата от него площ е 2 пъти по-малка от тази на модул с IGBT и аналогични параметри.

Масово се използват модули с три полумоста (Full SiC Six Pack Module), обикновено самостоятелни. Техните типични приложения са в ключови стабилизатори, UPS, трифазни коректори на фактора на мощността, инвертори с общо предназначение, инвертори за работа при високи честоти и с малки енергийни загуби, инвертори за фотоволтаици, управление на електродвигатели, индукционно нагряване.

Примери са SKiiP 13ACM12V17 за 1200 V/24 A и CCS050M12CM2 за 1200 V/87 A. За предпазване от прегряване те ползват същите методи, както при класическите модули – най-често температурата във вътрешността им се измерва с термистор, свързан към външна електронна схема. Нарастват приложенията на модули с вграден контрол на тока на всеки от транзисторите им. Поради тези защити и прибавените драйвери за управление на транзисторите (вместо външни) се използва и наименованието Full SiC IPM.

Хибридни модули (Hybrid SiC Power Module). Осигуряват по-големи токове и съдържат IGBT с паралелен SiC диод (SiC Hybrid IGBT Module), благодарение на който разсейваната мощност намалява обикновено между 30 и 45%. Приложенията им са за конвертори и инвертори (с повишена надежност, в електрозадвижвания, например влакове, медицински апаратури, заваръчни токоизточници), индустриални системи, възобновяеми източници на енергия.

Сред основните видове са модулите с два самостоятелни IGBT, каквито са V23990-P629-F62-PM за 1200 V/35 A и CMH1200DC-34S за 1700V/1200А (размери 140x130x28 mm). Друг тип са модулите с три полумоста (Hybrid Six Pack Module), които нямат принципни различия от предния тип, но се използват в трифазни системи. Пример е PMF75CL1A120 за 1200 V/75 А.

GaN транзистори
Създадени са през 1993 г. с точно наименование GaN High Electron Mobility Transistor или GaN HEMT, тъй като двата им полупроводника са с голяма подвижност на електроните. Последното е важна предпоставка за създаване на мощни прибори, работещи до значително по-високи честоти в сравнение с тези от SiC. Към това се прибавят предимствата на по-малки загуби на електрическа енергия и съответно възможност за разсейване на по-голяма мощност от единица площ на кристала.

Резултатът от всичко това е намаляване на размерите на осигуряващите работата на транзисторите пасивни елементи, на радиаторите, печатните платки и модулите. Като структура те са FET и практически не създават отскоци на напрежението. Подложката, върху която се реализират, е от силиций (GaN-on-Si) или силициев карбид (GaN-on-SiC), но по-голямо е приложението на втората поради по-малкото й топлинно съпротивление.

Първият тип са GaN транзистори за работа като постояннотокови широколентови усилватели с горна гранична честота между 2,5 и 18 GHz. Приложенията им са в ISM (например обхвата 2,4 GHz), широколентови безжични връзки (Broadband Wireless) вкл. спътникови, радари (за въздушен транспорт, метеорологични, в корабоплаването и за военни цели) и индустрията – високочестотно нагряване и сушене, плазмени генератори (RF Plasma Generation), обработка на материали.

Пример e TGF2023-2-20, който осигурява изходна мощност 90 W в обхват до 18 GHz, има захранващо напрежение 12-32 V и максимална температура на кристала 225 °С. На основата на този тип транзистори се правят и първите стъпки за реализация на ИС на усилватели, каквито са TGA2576-FL за обхвата 2,5 GHz-6 GHz с коефициент на усилване 20 и CMPA006-0002F за 20 MHz-6 GHz и усилване 7.

Основно за радари се ползват транзистори за работа в импулсен режим (GaN HEMT Pulsed Power Transistor), какъвто е MAGX-003135-120L00 с мощност 120 W за обхвата 3,1-3,5 GHz и експлоатационен срок (MTTF) 600 години при температура на кристала до 200 °С.
Съществуват транзистори за работа като ключове с приложения в телекомуникациите, радари и измервателни апаратури. Пример е TGS2353-2-SM (единичен превключващ SPDT) за обхвата 0,5 GHz-18 GHz, с време за смяна на състоянието под 35 ns и внасяни загуби в преминаващите сигнали под 1,5 dB.

Вторият тип са високоволтовите мощни транзистори, които работят само като ключове със същото действие както SiC MOSFET и основно предимство няколко десетки пъти по-малко време за смяна на състоянието. Максималните им напрежения типично са 600 V, но има експериментални модели до 1700 V, а токовете са между няколко А и няколко десетки А.

Използват се в захранвания (AC-DC Switching Power Supply) на компютърни и комуникационни системи с мощности между няколко стотици W и няколко kW и ефективност на преобразуването до 99%, високоволтови DC-DC преобразуватели, UPS, зарядни станции на електромобили. Такъв е TPH3205WS с 600 V/34 A.

GaN модули
Реално те правят първите си стъпки. За радари се произвеждат усилватели на мощност в S-обхвата, каквито са MAMG-002735-085L0L с изходна мощност 85 W, коефициент на усилване 200 и размери 24x14x3,18 mm и MAPG-002729-350L00 за 350 W, усилване 14 и размери 50,8x23x3,56 mm. За приложения в ключови стабилизатори с работна честота до 5 MHz е LMG5200 с входно напрежение до 80 V и изходен ток 10 A.