Silicio karbido IGBT ir galios MOSFET

Silicio karbidas yra junginys, dažnai naudojamas galios elektronikos prietaisuose. Jis pasižymi įvairiomis savybėmis, kurios gali pagerinti našumą, palyginti su silicio pagrindu pagamintais prietaisais, įskaitant didesnę blokavimo įtampą ir mažesnę savitąją įjungimo varžą.

"Littelfuse" šių savybių tyrimai leido sukurti naują technologiją, skirtą AGPU pagrindu veikiančių sistemų efektyvumui didinti. "Littelfuse" sėkmingai atliko išsamius bandymus, naudodama eksperimentines sistemas, sukurtas vykdant šį mokslinių tyrimų projektą, kurie įrodė jų veiksmingumą.

Išlaidos

Silicio karbidas, silicio ir anglies lydinys, jau seniai naudojamas kaip abrazyvinė medžiaga šlifavimo diskuose nuo pat 1920 m., kai pirmą kartą pasirodė 1920 m. šlifavimo diskuose, vėliau buvo naudojamas neperšaunamų liemenių keramikos gamyboje, o pastaruoju metu naudojamas kaip maitinimo puslaidininkių gamybos substratas. Tačiau neseniai paaiškėjo, kad jis pasižymi keliomis unikaliomis savybėmis, dėl kurių jis ypač tinka elektronikos komponentų gamybai, pavyzdžiui, galingųjų puslaidininkių gamybai.

SiC, arba silicio karbidas, dėl savo unikalių elektrinių savybių, leidžiančių jam suteikti reikšmingų pranašumų prieš silicio IGBT ir MOSFET, gali iš esmės pakeisti galios elektroniką kaip alternatyva silicio prietaisams.

Kadangi nitridiniai puslaidininkiai pasižymi dideliu pramušamojo elektrinio lauko stipriu, galima sukurti daug mažesnius užtūros ir dreifo sluoksnius nei silicio atveju, o tai lemia didesnę darbinę įtampą ir trumpesnį perjungimo laiką; be to, darbinė temperatūra gali būti daug aukštesnė nei įprastinių silicio puslaidininkių.

Dėl visų šių veiksnių puslaidininkis pasižymi puikiomis eksploatacinėmis savybėmis įvairiose srityse, todėl jis plačiai naudojamas elektros elektronikos konstrukcijose, pavyzdžiui, elektromobilių įkrovikliuose, saulės energijos keitikliuose ir traukos keitikliuose.

Silicio karbidas gali atlaikyti didelius pereinamuosius vyksmus, todėl jis yra puiki medžiaga kietoms ir minkštoms perjungimo topologijoms, pvz., LLC ir ZVS topologijoms.

"Wolfspeed" "WolfPACK" maitinimo moduliai yra idealus pasirinkimas tokio tipo įrenginiams ir pasižymi daugeliu savybių, todėl tinka naudoti didelio našumo elektromobilių įkrovikliuose, saulės inverteriuose, traukos inverteriuose ir duomenų centrų energijos paskirstymo įrenginiuose. Jei norite daugiau sužinoti apie šią technologiją ir kaip ji gali padėti pasiekti efektyvumą ir našumą kitame projekte, atsisiųskite mūsų baltąją knygą:

Veikimas

Silicio karbidas, paprastai vadinamas SiC, dėl savo unikalių savybių tampa vis populiaresne medžiaga, naudojama galios elektronikoje. SiC pasižymi išskirtiniu elektrinio lauko stiprumu, kuris leidžia gerokai padidinti MOSFET našumą ir konstruktoriams sukurti prietaisus, galinčius atlaikyti galios pereinamuosius procesus, dėl kurių įprasti IGBT arba standartiniai galios MOSFET gali sugesti.

Silicio karbidas gali veikti aukštesnėje temperatūroje nei silicis, todėl sumažėja šilumos išsiskyrimas elektros grandinėse, padidėja efektyvumas ir sumažėja šiluminiai nuostoliai, todėl išsaugoma daugiau energijos ir sutaupoma išlaidų už iššvaistytą energiją. Be to, SiC geriau apsaugo nuo elektros lanko ir viršįtampių, o tai naudinga tiek automobilių, tiek pramonės srityse.

Kitas SiC privalumas - maži perjungimo nuostoliai, ypač palyginti su silicio tranzistoriais; SiC MOSFET pasižymi mažesniais laidumo galios nuostoliais ir gali greičiau įsijungti ir išsijungti, todėl pagerėja bendras sistemos našumas - tai ypač naudinga tose srityse, kuriose maitinimo jungikliai turi dažnai įsijungti ir išsijungti.

Silicio karbido maitinimo moduliai gali valdyti didelius srovės srautus, todėl puikiai tinka reiklioms programoms. Jie gali nepertraukiamai valdyti iki 40 amperų srovę arba trumpus 100 amperų srovės pliūpsnius - tai gerokai daugiau nei tradiciniai silicio IGBT, kurie nepertraukiamai veikia tik 10 amperų.

Siekiant įvertinti SiC-IGBT efektyvumą, buvo sukurtos kelios eksperimentinės sistemos. Tarp jų buvo AGPU sistema, vieno impulso bandymas (SPT) ir trijų fazių inverterių sistemos. Visos trys parodė, kad SiC-IGBT pralenkė savo Si-IGBT analogus tiek kietojo ir minkštojo perjungimo charakteristikų, tiek efektyvumo požiūriu.

Tačiau naudojant SiC-IGBT būtina atsižvelgti į jo užtūros tvarkyklės pavaros reikalavimus. Visų pirma jo induktyvumas turi būti kuo mažesnis, kad būtų išvengta skambėjimo ir elektromagnetinių trikdžių (EMI), be to, jis turi atlaikyti reikiamą užtūros įtampą įjungimo ir išjungimo operacijų metu.

Sauga

Silicio karbidas yra nauja medžiaga, turinti daug pranašumų, palyginti su silicio analogais. Be kitų savybių, silicio karbidas geriau išsklaido šilumą ir pasižymi didesniu kritiniu pramušimo stipriu (iki 10 kartų didesniu) bei patikimumu aukštos temperatūros aplinkoje. Be to, mažesni perjungimo ir laidumo nuostoliai, o tai lemia didesnį efektyvumą - dėl šių savybių silicio karbidas idealiai tinka elektros energijos konversijai.

Silicio karbidas (SiC) yra silicio ir anglies junginys, pasižymintis išskirtinėmis elektrinėmis savybėmis, todėl tinkamas naudoti galios puslaidininkiuose. Dėl saugumo, ekologiškumo ir puikių eksploatacinių savybių SiC ypač tinka inverteriams, borto įkrovikliams, DC/DC keitikliams ir DC/AC keitikliams; be to, ši nauja technologija potencialiai gali padidinti elektromobilių ridą net 6 proc.

SiC galios MOSFET turi mažesnę perjungimo varžą ir greitesnį įjungimo/išjungimo laiką nei jų silicio IGBT analogai, todėl gali užtikrinti didelę srovės galią kompaktiškoje pakuotėje, kurioje sumažintas išorinių komponentų skaičius, todėl sutaupoma lėšų ir padidėja patikimumas.

SiC yra puiki medžiaga, nes gali atlaikyti staigius įtampos pereinamuosius procesus, taip užtikrinant papildomą saugumą gedimų metu. Ši savybė taip pat leidžia apdoroti trumpojo jungimo srovę, užtikrinant geresnes saugos priemones nuo trumpojo jungimo srovės.

SiC-IGBT yra idealus pasirinkimas hibridiniams maitinimo moduliams, nes jų darbinės temperatūros diapazonas viršija standartinių IGBT darbinės temperatūros diapazoną - ši savybė ypač svarbi pramoninėje aplinkoje, kur komponentai gali būti veikiami atšiaurių aplinkos sąlygų. Be to, dėl didesnio užtūros-emiterio įtampos svyravimo jie gali veikti esant didesniam srovės lygiui, nesukeldami viršijimo ar nuokrypio problemų.

Paraiškos

Silicio karbido galios puslaidininkiai tampa vis populiaresniu pasirinkimu įvairiose srityse. Jų energijos vartojimo efektyvumas gerokai lenkia tradicinius silicio analogus, be to, jie gali atlaikyti aukštesnę temperatūrą ir nenukentėti. Be to, jų mažesni perjungimo nuostoliai leidžia pasiekti didesnius dažnius nei įprastų silicio tranzistorių - tai puikiai tinka kietosioms ir rezonansinėms perjungimo topologijoms. Be to, dėl daug didesnio kritinio pramušimo stiprio, palyginti su standartiniais MOSFET tranzistoriais, jie yra dar atsparesni didelės įtampos apkrovoms.

Neseniai mokslininkai panaudojo SPT Si-IGBT ir SiC-IGBT perjungimo charakteristikoms matuoti, esant varžinėms ir RL apkrovoms. Atlikus matavimus paaiškėjo, kad SiC-IGBT įtaisai turi mažesnius perjungimo nuostolius dėl mažesnės kolektoriaus-emiterio varžos ir greitesnio perjungimo laiko, todėl jų konversijos efektyvumas yra didesnis.

Nors IGBT paprastai laikomi idealiais pramoniniais įtampos šaltinio keitikliais, jie ne visada gali būti optimalus sprendimas kiekvienu atveju. Dėl didesnių jų ir kitų tipų galios puslaidininkių perjungimo nuostolių gali gerokai pakilti sistemų temperatūra, padidėti šilumos išsklaidymas ir sumažėti efektyvumas; laimei, nauji puslaidininkių pasiekimai leidžia projektuotojams sumažinti šiuos perjungimo nuostolius.

Silicio karbido galios MOSFET turi daug didesnę kritinę pramušamąją jėgą, palyginti su IGBT, taip pat patikimai veikia daug aukštesnėje temperatūroje, todėl gali atlaikyti pereinamuosius įvykius, su kuriais susiduriama elektros energijos sistemose, ir taip padidinti bendrą patikimumą.

"Infineon" siūlo IGBT ir silicio karbido technologijas, skirtas traukos inverteriams ir saulės inverteriams, IGBT užtūros tvarkykles ir silicio karbido galios MOSFET, kurios užtikrina maksimalų našumą ir efektyvumą sunkiai perjungiamose topologijose, taip pat didesnį perjungimo dažnį, todėl sistemos yra mažesnės, mažesnio svorio ir didesnio galios tankio.