Πλεονεκτήματα των Mosfets καρβιδίου πυριτίου

Τα MOSFET καρβιδίου του πυριτίου (MOSFET) αποτελούν ένα εξαρτήμα που χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στις κατασκευές ηλεκτρονικών ισχύος. Αυτοί οι ημιαγωγοί ισχύος ευρείας ενεργειακής διαφοράς παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις συσκευές πυριτίου, μεταξύ των οποίων η μείωση των απωλειών μεταγωγής και η μείωση της απαγωγής θερμότητας.

Αυτά τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά καθιστούν τους συγκεκριμένους κινητήρες ιδανικούς για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, όπως σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων, συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, μονάδες UPS και συστήματα κίνησης κινητήρων. Συνεχίστε την ανάγνωση για να ανακαλύψετε περισσότερα από αυτά τα εξαιρετικά πλεονεκτήματα.

Υψηλή τάση διάσπασης

Τα MOSFET καρβιδίου του πυριτίου διαθέτουν ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης κατά μία τάξη μεγέθους υψηλότερο από τις παραδοσιακές συσκευές πυριτίου, γεγονός που τους επιτρέπει να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες, επιτυγχάνοντας παράλληλα υψηλότερα επίπεδα ισχύος μεταγωγής με μειωμένες απώλειες αγωγιμότητας και μεταγωγής. Η υψηλότερη τάση διάσπασής τους επιτρέπει επίσης τη χρήση λεπτότερων και πιο έντονα εμπλουτισμένων στρωμάτων αποκλεισμού, με αυξημένο αριθμό φορέων πλειοψηφίας, για χαμηλότερη ειδική αντίσταση σε κατάσταση διέλευσης (Ron,sp).

Τα MOSFET καρβιδίου του πυριτίου διαθέτουν υψηλές τάσεις διάσπασης, οι οποίες τους επιτρέπουν να λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από τις τυπικές συσκευές πυριτίου, χωρίς να αυξάνεται το ρεύμα διαρροής ή να προκαλείται βλάβη στο οξείδιο της πύλης, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση της απώλειας ισχύος και στη βελτίωση της αξιοπιστίας σε δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της συνολικής απώλειας ισχύος, καθώς και την ενίσχυση της αξιοπιστίας υπό δύσκολες συνθήκες λειτουργίας.

Το καρβίδιο του πυριτίου ξεχωρίζει ως υλικό με εξαιρετική χημική αντοχή και αντοχή στη φθορά, γεγονός που το καθιστά ιδανικό για εφαρμογές όπως τροφοδοτικά υψηλής θερμοκρασίας και μετατροπείς τάσης, όπου οι δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες ενδέχεται να προκαλέσουν ζημιά λόγω διάβρωσης στις συσκευές αυτές.

Οι εξαιρετικές θερμικές επιδόσεις του καρβιδίου του πυριτίου επιτρέπουν υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας, οι οποίες αυξάνουν την πυκνότητα ισχύος και την απόδοση σε εφαρμογές όπως οι βιομηχανικοί κινητήρες, τα συστήματα αδιάλειπτης τροφοδοσίας, τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων και τα κέντρα δεδομένων πληροφορικής – τα πλεονεκτήματα αυτά καθιστούν την τεχνολογία αυτή καθοριστική για τον κλάδο της ηλεκτρονικής ισχύος.

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα ημιαγωγικό υλικό, δηλαδή η δομή του περιέχει άτομα πυριτίου και άνθρακα. Με σημείο τήξης 2800 °C και χημικές ιδιότητες αδρανείας που το καθιστούν ακτινολογικά αδρανές, η ουσία αυτή διαθέτει εξαιρετικές ιδιότητες αντοχής στην ακτινοβολία.

Τα διακριτά προϊόντα CoolSiC της weEn είναι ιδανικά για τοπολογίες διακοπής τύπου «hard» και «resonant», όπως οι LLC και ZVS, και μπορούν να τροφοδοτηθούν με τη χρήση τυπικών οδηγών, ακριβώς όπως τα IGBT ή τα CoolMOS™ C7. Ο στιβαρός σχεδιασμός τους περιλαμβάνει τεχνολογία «trench» τελευταίας γενιάς για βελτιωμένη αξιοπιστία του οξειδίου πύλης, καθώς και τις καλύτερες στην κατηγορία τους απώλειες μεταγωγής και αγωγιμότητας με Vth = 4 V – προσδίδοντας σε αυτές τις συσκευές ένα ξεκάθαρο πλεονέκτημα έναντι των παραδοσιακών τεχνολογιών πυριτίου, εξασφαλίζοντας μέγιστη απόδοση και αξιοπιστία καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής για τους χρήστες.

Υψηλή απόδοση

Το καρβίδιο του πυριτίου μπορεί να μην είναι γνωστό, αλλά διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στις συσκευές ημιαγωγών. Το καρβίδιο του πυριτίου, το οποίο παράγεται σε υψηλές θερμοκρασίες από διοξείδιο του πυριτίου και άνθρακα, χρησιμοποιείται για την κατασκευή ακατέργαστων τεμαχίων που απαιτούνται για ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως οι δίοδοι και τα MOSFET.

Οι βιομηχανικοί κινητήρες, οι μετατροπείς/αντιστροφείς AC/DC, τα συστήματα αδιάλειπτης τροφοδοσίας (UPS) και τα φωτοβολταϊκά (PV) συστήματα θέτουν όλα υψηλές απαιτήσεις όσον αφορά την απόδοση των τυπικών τρανζίστορ πυριτίου. Ως εκ τούτου, έχουν εμφανιστεί νεότερες αρχιτεκτονικές τρανζίστορ που προσφέρουν μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση, μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και χαμηλότερο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας κατά τη διάρκεια ζωής των συστημάτων ισχύος, προκειμένου να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις αυτές.

Τα MOSFET ισχύος SiC έχουν την ίδια βασική δομή με τα παραδοσιακά τρανζίστορ πεδίου μεταλλικού οξειδίου ημιαγωγού (MOSFET), με τρεις ακροδέκτες: πηγή ισχύος, αποχέτευση και πύλη, οι οποίοι συνδέονται μέσω της πύλης ελέγχου με ένα εξωτερικό κύκλωμα ελέγχου. Επιπλέον, αυτά τα MOSFET διαθέτουν υψηλότερες αντοχές διάσπασης τάσης, γεγονός που τους επιτρέπει να αντέχουν σε υψηλότερες μεταβατικές τάσεις χωρίς μείωση της ονομαστικής ισχύος, καθιστώντας τα κατάλληλα για συστήματα που χρησιμοποιούν χωρητικά φορτία ή συστήματα αδιάλειπτης τροφοδοσίας.

Τα MOSFET SiC προσφέρουν στην ηλεκτρονική ισχύος ένα σημαντικό πλεονέκτημα απόδοσης σε σχέση με τις συσκευές με βάση το πυρίτιο, χάρη σε έναν συνδυασμό παραγόντων, όπως οι ταχύτερες ταχύτητες μεταγωγής και η μικρότερη παρασιτική χωρητικότητα. Η υψηλότερη συχνότητα μεταγωγής επιτρέπει τη μεταγωγή μεγαλύτερου ρεύματος σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότερα επαγωγικά και χωρητικά εξαρτήματα.

Το ευρύτερο ενεργειακό χάσμα του καρβιδίου του πυριτίου επιτρέπει τη διέλευση μεγαλύτερου ρεύματος σε μια δεδομένη θερμοκρασία, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση μέσω της μείωσης των απωλειών ισχύος. Επιπλέον, η μικρότερη αντίσταση σε κατάσταση ενεργοποίησης σε σύγκριση με τα MOSFET ισχύος από πυρίτιο επιτρέπει ταχύτερες ταχύτητες μεταγωγής χωρίς αύξηση των απωλειών ισχύος.

Η αξιοπιστία έχει επίσης βελτιωθεί δραματικά από την εισαγωγή των MOSFET SiC πρώτης γενιάς της Toshiba. Ένα βασικό πρόβλημα των αρχικών συσκευών ήταν ότι, κατά την ενεργοποίησή τους, η δίοδος PN ενεργοποιούνταν, οδηγώντας σε μεταβολές στην αντίσταση ενεργοποίησης που υποβάθμιζαν την αξιοπιστία της συσκευής. Οι συσκευές δεύτερης γενιάς της Toshiba αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα ενσωματώνοντας μια δίοδο φραγμού Schottky (SBD), η οποία αποτρέπει την ενεργοποίησή της κατά την ενεργοποίηση της συσκευής και τις μεταβολές στην αντίσταση σε κατάσταση ενεργοποίησης που μπορεί να οδηγήσουν σε αλλοιώσεις που υποβαθμίζουν την αξιοπιστία της συσκευής.

Χαμηλότερη αντίσταση σε κατάσταση ενεργοποίησης

Τα MOSFET καρβιδίου του πυριτίου προσφέρουν στους σχεδιαστές κυκλωμάτων αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα παραδοσιακά MOSFET τρανζίστορ πυριτίου, λόγω της χαμηλότερης αντίστασης σε κατάσταση «on». Αυτό επιτρέπει υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής με το ίδιο ρεύμα, με αποτέλεσμα την αύξηση της απόδοσης, η οποία οδηγεί σε μικρότερα εξαρτήματα και συνολικά χαμηλότερες απώλειες. Επιπλέον, αυτά τα MOSFET SiC λειτουργούν σε ευρύτερο εύρος θερμοκρασιών, μειώνοντας περαιτέρω τις συνολικές απώλειες του συστήματος, ενώ ταυτόχρονα αυξάνουν την πυκνότητα ισχύος και την απόδοση μετατροπής ενέργειας.

Η κρίσιμη τάση διάσπασης του καρβιδίου του πυριτίου είναι πάνω από 10 φορές υψηλότερη από εκείνη του πυριτίου, με αποτέλεσμα τη δημιουργία λεπτότερων στρωμάτων μετατόπισης και μικρότερης περιοχής εξάντλησης. Επιπλέον, λόγω των χαρακτηριστικών του ευρύτερου ενεργειακού χάσματος, τα ηλεκτρόνια κινούνται πιο ελεύθερα μεταξύ των ακροδεκτών αποχέτευσης και πηγής, με αποτέλεσμα τη χαμηλότερη αντίσταση σε κατάσταση ενεργοποίησης.

Η μεγαλύτερη κινητικότητα των ηλεκτρονίων του καρβιδίου του πυριτίου σε σύγκριση με το πυρίτιο επιτρέπει τη διέλευση περισσότερων ηλεκτρονίων σε κάθε ενεργοποίηση της πύλης, με αποτέλεσμα πολύ χαμηλότερες τιμές αντίστασης σε κατάσταση «on», οι οποίες μπορεί να φτάσουν ακόμη και κάτω από ένα μιλιομ, στη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του.

Η UnitedSiC (πλέον Qorvo) παρουσίασε πρόσφατα το FET SiC με τη χαμηλότερη αντίσταση σε κατάσταση αγωγής στον κλάδο: 750V/6m σε τυπική διακριτή συσκευασία – η οποία είναι η μισή από εκείνη του πλησιέστερου ανταγωνιστή της! Αυτό το επίπεδο αντίστασης σε κατάσταση διόδου επιτρέπει εφαρμογές υψηλής τάσης που συνήθως απαιτούν IGBT ή τυπικά MOSFET ισχύος, χωρίς να απαιτείται σημαντική μείωση της ονομαστικής ισχύος και χωρίς επιπλέον κόστος.

Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι η αντίσταση σε κατάσταση διέλευσης οποιασδήποτε συσκευής ισχύος εξαρτάται από πολλές μεταβλητές, μεταξύ των οποίων η επιφάνεια του κύκλωμα και το ποσοστό των ανενεργών περιοχών, όπως οι περιοχές ακροδεκτών γύρω από τις άκρες ή τα σημεία επαφής της πύλης – κάτι που μπορεί να στρεβλώσει τους υπολογισμούς αν γίνεται αναφορά σε αυτά χωρίς να λαμβάνονται υπόψη αυτές οι παράμετροι.

Τα MOSFET SiC που χρησιμοποιούν οδηγούς IGBT απαιτούν συνήθως 15-18 V για βέλτιστη αντίσταση σε κατάσταση ενεργοποίησης· ωστόσο, είναι επίσης δυνατή η χρήση οδηγών χαμηλότερης τάσης για περαιτέρω μείωση των επιπέδων αντίστασης σε κατάσταση ενεργοποίησης.

Ο συνδυασμός των βασικών χαρακτηριστικών απόδοσης του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστά ιδανικό υλικό για εφαρμογές ισχύος υψηλής τάσης, συμπεριλαμβανομένων των τοπολογιών σκληρής μεταγωγής σε μετατροπείς LLC και ZVS, των μετατροπέων για ηλεκτρικά οχήματα, των βιομηχανικών τροφοδοτικών και της προστασίας κυκλωμάτων, καθώς και της παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας και των εφαρμογών τροφοδοσίας κέντρων δεδομένων. Η Wolfspeed προσφέρει ένα εκτεταμένο χαρτοφυλάκιο συσκευών ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου 1000 V, βελτιστοποιημένων για γρήγορη μεταγωγή με μέγιστη απόδοση, ιδανικών για εφαρμογές που απαιτούν χαμηλή αντίσταση διαδρομής, εξαιρετικά χαμηλή χωρητικότητα εξόδου και χαμηλή επαγωγή πηγής, ώστε να παρέχουν τη βέλτιστη ισορροπία μεταξύ των αναλογιών απώλειας ισχύος και απώλειας αγωγιμότητας.

Υψηλότερη συχνότητα μεταγωγής

Τα MOSFET καρβιδίου του πυριτίου διαθέτουν συνήθως υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής σε σύγκριση με τα αντίστοιχα από πυρίτιο, λόγω της μειωμένης αντίστασης σε κατάσταση ενεργοποίησης και των μειωμένων απωλειών μεταγωγής, της υψηλότερης κινητικότητας των ηλεκτρονίων (η οποία επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να διατρέχουν το κανάλι τους πιο γρήγορα) και της χρήσης μικρότερων επαγωγικών/χωρητικών εξαρτημάτων, γεγονός που οδηγεί σε μείωση του μεγέθους και του κόστους του συστήματος.

Το SiC είναι επίσης γνωστό για το ευρύτερο ενεργειακό χάσμα του, το οποίο οδηγεί σε λεπτότερη περιοχή εξάντλησης, διευκολύνοντας τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων μεταξύ των ακροδεκτών πύλης και πηγής, μειώνοντας περαιτέρω την αντίσταση σε κατάσταση διέλευσης και αυξάνοντας την ικανότητα αποκλεισμού τάσης, γεγονός που καθιστά τα MOSFET SiC κατάλληλα για εφαρμογές ισχύος υψηλής τάσης.

Τα MOSFET καρβιδίου του πυριτίου προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα που τα καθιστούν κατάλληλα για βιομηχανικές εφαρμογές και εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος. Μπορούν να αντικαταστήσουν τα τρανζίστορ πυριτίου σε μετατροπείς ισχύος και αναστροφείς, προκειμένου να αυξήσουν την απόδοση και την πυκνότητα ισχύος, και να χρησιμοποιηθούν ως εξαρτήματα τροφοδοσίας σε εφαρμογές όπως τα ηλεκτρικά οχήματα (EV) ή τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

Η χαμηλότερη αντίσταση σε κατάσταση διέλευσης των MOSFET SiC μπορεί να παρατείνει τη διάρκεια ζωής τους, δημιουργώντας ένα ευρύτερο παράθυρο μεταγωγής και μειώνοντας έτσι τον κίνδυνο θερμικής ανεξέλεγκτης αύξησης της θερμοκρασίας. Ωστόσο, οι σχεδιαστές πρέπει να έχουν κατά νου ότι η κατανάλωση ισχύος των MOSFET SiC αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, προκειμένου να βελτιστοποιήσουν τον νεκρό χρόνο και τις περιοχές κατανάλωσης ισχύος για μέγιστη απόδοση.

Η υψηλή συχνότητα μεταγωγής των MOSFET SiC τα καθιστά ιδιαίτερα ευαίσθητα σε παρασιτικές παραμέτρους στη συσκευασία τους, όπως η διαρροή επαγωγής και χωρητικότητας, οι οποίες προκαλούν υπερτάση στους ακροδέκτες τους. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, οι σχεδιαστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν τεχνικές τεχνολογίας χωρίς συγκόλληση καλωδίων, οι οποίες ελαχιστοποιούν αυτά τα επαγωγικά στοιχεία.

Τα MOSFET SiC διαθέτουν υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής, οι οποίες επιτρέπουν τη χρήση μικρότερων παθητικών εξαρτημάτων στα τροφοδοτικά, βελτιώνοντας έτσι την αξιοπιστία του συστήματος και μειώνοντας το κόστος της λύσης, κάτι που αποτελεί ιδιαίτερο πλεονέκτημα σε εφαρμογές υψηλής ισχύος, όπως οι μετατροπείς ηλεκτρικών οχημάτων και τα συστήματα αιολικής και ηλιακής ενέργειας.