IGBT a výkonové MOSFETy z karbidu křemíku

Karbid křemíku je sloučenina, která se často používá v zařízeních výkonové elektroniky. Má různé vlastnosti, které mohou zlepšit výkon oproti zařízením na bázi křemíku, včetně zvýšené kapacity blokovacího napětí a sníženého měrného odporu při zapnutí.

Výzkum společnosti Littelfuse v oblasti těchto vlastností vyústil v novou technologii určenou ke zvýšení účinnosti systémů založených na AGPU. Společnost Littelfuse úspěšně provedla rozsáhlé zkoušky s využitím experimentálních systémů vyvinutých v rámci tohoto výzkumného projektu, které prokázaly její účinnost.

Náklady

Karbid křemíku, slitina křemíku a uhlíku, se již dlouho používá jako brusný materiál v brusných kotoučích, a to od doby, kdy se poprvé objevil v brusných kotoučích ve 20. letech 20. století, později přešel k výrobě neprůstřelných vest a v poslední době se používá jako substrát pro výrobu výkonových polovodičů. Nedávno však bylo zjištěno, že má několik jedinečných vlastností, díky nimž je obzvláště vhodný pro výrobu elektronických součástek, jako je výroba výkonových polovodičů.

SiC, neboli karbid křemíku, by mohl způsobit revoluci ve výkonové elektronice jako alternativa k zařízením na bázi křemíku díky svým jedinečným elektrickým vlastnostem, které mu umožňují poskytovat významné výhody oproti křemíkovým IGBT a MOSFET.

Protože nitridové polovodiče mají vysokou intenzitu průrazného elektrického pole, umožňují vytvářet mnohem menší hradlové a driftové vrstvy, než je možné u křemíku, což se projevuje ve vyšších provozních napětích a kratších spínacích časech; navíc provozní teploty mohou být mnohem vyšší než u běžných polovodičů na bázi křemíku.

Všechny tyto faktory dohromady vytvářejí polovodič s vynikajícím výkonem v mnoha aplikacích, což vedlo k jeho širokému využití v konstrukcích výkonové elektroniky, jako jsou nabíječky pro elektromobily, solární střídače a trakční měniče.

Karbid křemíku zvládá vysoké úrovně přechodových jevů, aniž by byl ohrožen, což z něj činí vynikající materiál pro tvrdé a měkké spínací topologie, jako jsou topologie LLC a ZVS.

Napájecí moduly Wolfspeed WolfPACK jsou pro tyto typy aplikací ideální volbou a mají mnoho funkcí, díky nimž jsou vhodné pro výkonné nabíječky elektromobilů, solární střídače, trakční střídače a distribuci energie v datových centrech. Chcete-li získat více informací o této technologii a o tom, jak může pomoci dosáhnout účinnosti a výkonu pro váš příští návrh, stáhněte si naši bílou knihu:

Výkon

Karbid křemíku, běžně označovaný jako SiC, se díky svým jedinečným vlastnostem stává stále oblíbenějším materiálem používaným ve výkonové elektronice. SiC se může pochlubit výjimečnou pevností elektrického pole, která umožňuje výrazné zvýšení výkonu v tranzistorech MOSFET - a umožňuje konstruktérům vyvíjet zařízení schopná zvládnout přechodné výkonové jevy, které by za normálních okolností způsobily selhání tradičních IGBT nebo standardních výkonových tranzistorů MOSFET.

Karbid křemíku může pracovat při vyšších teplotách než křemík, čímž snižuje produkci tepla v energetických obvodech a zvyšuje účinnost a snižuje tepelné ztráty, čímž šetří více energie a náklady na plýtvání energií. Kromě toho SiC poskytuje lepší ochranu před obloukovými výboji a přepětím, což je výhodné v automobilovém průmyslu i v průmyslovém prostředí.

Další výhodou SiC jsou nízké spínací ztráty, zejména ve srovnání s křemíkovými tranzistory; tranzistory SiC MOSFET se mohou pochlubit nižšími ztrátami při vedení energie a mohou se rychleji zapínat a vypínat, čímž se zlepšuje celkový výkon systému - což je užitečné zejména v aplikacích, kde se musí výkonové spínače často zapínat a vypínat.

Napájecí moduly z karbidu křemíku jsou schopny zvládat velké proudové toky, takže jsou ideální pro náročné aplikace. Jsou schopny zvládnout až 40 A nepřetržitě nebo krátké nárazy 100 A - což je výrazně více než tradiční křemíkové IGBT, které podporují pouze 10 A nepřetržitý provoz.

Pro vyhodnocení výkonu SiC-IGBT bylo zkonstruováno několik experimentálních systémů. Jednalo se o systém AGPU, jednopulzní test (SPT) a systémy třífázových měničů. Všechny tři ukázaly, že SiC-IGBT překonávají své protějšky Si-IGBT jak z hlediska tvrdých a měkkých spínacích charakteristik, tak z hlediska účinnosti.

Při použití SiC-IGBT je však nutné vzít v úvahu jeho požadavky na pohon ovladače hradla. Zejména jeho indukčnost musí být co nejmenší, aby se zabránilo zvonění a elektromagnetickému rušení (EMI), a měl by také vydržet požadované napětí hradla při zapínání/vypínání.

Bezpečnost

Karbid křemíku je nový materiál, který má oproti svým křemíkovým protějškům řadu výhod. Karbid křemíku mimo jiné vyniká lepším odvodem tepla a vyšší kritickou průrazností (až 10x vyšší) a spolehlivostí v prostředí s vysokými teplotami. Kromě toho jsou spínací a vodivé ztráty nižší, což vede k vyšší účinnosti - díky těmto vlastnostem je karbid křemíku ideální pro aplikace přeměny energie.

Karbid křemíku (SiC) je sloučenina složená z křemíku a uhlíku s výjimečnými elektrickými vlastnostmi, díky nimž je vhodná pro výkonové polovodičové aplikace. Díky své bezpečnosti, šetrnosti k životnímu prostředí a vynikajícímu výkonu je SiC vhodný zejména pro měniče, palubní nabíječky, DC/DC měniče a DC/AC měniče; navíc by tato nová technologie mohla potenciálně zvýšit dojezd elektromobilů až o 6 %.

Výkonové tranzistory SiC MOSFET se vyznačují nižším spínacím odporem a rychlejšími dobami zapnutí/vypnutí než jejich křemíkové protějšky IGBT, což jim umožňuje poskytovat vysokou proudovou kapacitu v kompaktním balení se sníženým počtem externích součástek, což vede k úspoře nákladů a vyšší spolehlivosti.

SiC je vynikající volbou materiálu díky své schopnosti odolávat náhlým přechodovým napětím, což zajišťuje větší bezpečnost při poruchách. Tato vlastnost také umožňuje zpracování zkratového proudu, což zajišťuje lepší bezpečnostní opatření proti zkratovému proudu.

SiC-IGBT jsou ideální volbou pro hybridní výkonové moduly, protože jejich rozsah provozních teplot přesahuje rozsah standardních IGBT - tato vlastnost je důležitá zejména v průmyslovém prostředí, kde mohou být komponenty vystaveny drsným podmínkám. Kromě toho jejich větší rozkmit napětí mezi hradlem a emitorem umožňuje pracovat při vyšších proudových úrovních bez problémů s překmitem nebo podskočením.

Aplikace

Výkonové polovodiče z karbidu křemíku jsou stále oblíbenější volbou pro různé aplikace. Jejich energetická účinnost výrazně převyšuje tradiční křemíkové protějšky a vydrží vyšší teploty, aniž by došlo k jejich poškození. Jejich nižší spínací ztráty navíc umožňují vyšší frekvence než běžné křemíkové tranzistory - ideální pro tvrdé a rezonanční spínací topologie. Díky mnohem vyšší kritické průraznosti ve srovnání se standardními tranzistory MOSFET jsou navíc ještě odolnější vůči vysokému napěťovému zatížení.

Vědci nedávno využili SPT k měření spínacích charakteristik Si-IGBT a SiC-IGBT při odporovém a RL zatížení. Jejich měření odhalila, že zařízení SiC-IGBT mají nižší spínací ztráty díky nižšímu odporu kolektor-emitor a rychlejším spínacím časům, což vede k vyšší účinnosti konverze.

IGBT jsou sice obecně považovány za ideální řešení pro průmyslové měniče se zdrojem napětí, ale nemusí být vždy optimálním řešením pro každou aplikaci. Jejich vyšší spínací ztráty a jiné typy výkonových polovodičů mohou způsobit výrazné zvýšení teploty v systémech a zvýšit odvod tepla a snížit účinnost; naštěstí nové pokroky v oblasti polovodičů umožňují konstruktérům tyto spínací ztráty snížit.

Výkonové tranzistory MOSFET z karbidu křemíku mají ve srovnání s tranzistory IGBT mnohem vyšší kritickou průraznost a spolehlivě pracují při mnohem vyšších teplotách, což jim umožňuje odolávat přechodným jevům v napájecích systémech, a tím celkově zvyšovat spolehlivost.

Společnost Infineon nabízí technologie IGBT a karbidu křemíku pro aplikace zahrnující trakční měniče a solární měniče, ovladače hradel pro IGBT a výkonové MOSFETy z karbidu křemíku, které poskytují maximální výkon a účinnost v topologiích s tvrdým spínáním, jakož i vyšší spínací frekvence, což vede k menším rozměrům systémů se sníženou hmotností a větší hustotou výkonu.