Блог: переработанная версия

По мере развития силовых электронных систем в сторону более высокой эффективности, плотности мощности и частоты переключения, ограничения традиционных Si MOSFET и IGBT в сценариях с высоким напряжением становятся всё более очевидными. Ценность SiC MOSFET заключается в том, что он обеспечивает лучший баланс между высоким напряжением, низкими потерями на проводимость и высокоскоростным переключением.

Ниже рассмотрены основные особенности SiC MOSFET по сравнению с традиционными кремниевыми приборами с точки зрения структуры устройства, сопротивления канала, температурных характеристик и управления затвором.

1. Почему в сценариях с высоким напряжением SiC MOSFET имеет преимущество?

Для традиционных Si-приборов чем выше допустимое напряжение, тем толще должен быть дрейфовый слой и тем ниже его концентрация примесей, что приводит к значительному увеличению удельного сопротивления канала. Поэтому в приложениях с напряжением выше 600 V в прошлом чаще использовались IGBT.

IGBT снижает потери на проводимость за счет модуляции проводимости, но это приводит к эффекту накопления неосновных носителей заряда. Хвостовой ток, возникающий при выключении, увеличивает потери на переключение и ограничивает применение на высоких частотах.

Преимущество SiC заключается в том, что его дрейфовый слой может работать при более высоком электрическом поле, поэтому для достижения высокого напряжения и низкого сопротивления канала не требуется модуляция проводимости. Будучи прибором с неосновными носителями заряда, SiC MOSFET не имеет выраженного хвостового тока при выключении, в отличие от IGBT, что делает его более подходящим для высокочастотного переключения.

Сравнение допустимого напряжения и областей применения Si, IGBT, SJ-MOSFET и SiC MOSFET

2. SiC — как достигается высокое напряжение при сохранении низкого сопротивления канала?

В исходном тексте указано, что пробивное электрическое поле SiC примерно в 10 раз выше, чем у Si. Это означает, что при одинаковом допустимом напряжении SiC может использовать более тонкий дрейфовый слой с меньшим импедансом, что снижает удельное сопротивление канала на уровне структуры устройства.

На примере 900 V в исходном тексте приводится следующее сравнение: при достижении одинакового сопротивления канала площадь кристалла SiC MOSFET составляет примерно 1/35 от площади обычного Si MOSFET и 1/10 от площади SJ-MOSFET. Уменьшение площади кристалла также способствует снижению заряда затвора Qg и емкостей переходов.

Тенденции изменения удельного сопротивления канала при повышении допустимого напряжения для различных приборов

Кроме того, SiC относительно легко масштабируется до 1700 V и даже более высоких напряжений, при этом сопротивление канала остается на низком уровне. Это одно из его ключевых преимуществ в высоковольтных силовых преобразователях.

3. SiC MOSFET — почему он лучше подходит для высоких частот, чем IGBT?

Биполярный механизм проводимости IGBT способствует снижению потерь на проводимость, но приводит к эффекту накопления носителей заряда, что ограничивает скорость выключения. SiC MOSFET не зависит от инжекции неосновных носителей заряда, поэтому в процессе выключения не возникает выраженного хвостового тока.

Таким образом, замена IGBT на SiC MOSFET позволяет значительно снизить потери на переключение и повысить частоту переключения. Повышение частоты переключения дает возможность уменьшить размеры пассивных компонентов, таких как индуктивности и конденсаторы, что способствует повышению плотности мощности всего устройства.

4. VD-ID характеристики: SiC более линеен в широком диапазоне токов

В исходном тексте указано, что в отличие от IGBT, у SiC MOSFET нет выраженного напряжения включения, поэтому он сохраняет низкие потери на проводимость в широком диапазоне токов — от малых до больших значений.

Это отличается от характеристик IGBT. IGBT скорее демонстрирует выраженный порог падения напряжения, тогда как характеристики проводимости MOSFET ближе к резистивным, что позволяет достигать высокой эффективности в более широком диапазоне нагрузок.

Сравнение характеристик VD-ID различных приборов при 25°C и 150°C

5. При высоких температурах SiC имеет более плавный рост сопротивления канала

Повышение температуры приводит к увеличению сопротивления канала MOSFET. В исходном тексте отмечается, что у Si MOSFET при 150°C сопротивление канала может вырасти более чем в 2 раза по сравнению с комнатной температурой, тогда как коэффициент роста у SiC MOSFET относительно ниже.

Это означает, что в условиях высоких температур или при проектировании устройств с высокой плотностью мощности изменения потерь на проводимость в SiC легче контролировать, что благоприятно для теплового проектирования и расчета эффективности.

6. SiC MOSFET — напряжение управления затвором нельзя просто копировать из обычных Si MOSFET

Импеданс дрейфового слоя SiC MOSFET очень низок, но подвижность носителей заряда в MOS-канале относительно мала, поэтому доля сопротивления канала не может быть проигнорирована. Повышение напряжения управления затвором позволяет дополнительно снизить сопротивление канала.

В исходном тексте указано, что при использовании традиционного напряжения управления затвором 10 V～15 V, характерного для IGBT или Si MOSFET, преимущество SiC с низким сопротивлением канала может не быть полностью реализовано. Для достижения более низкого RDS(on) в исходном тексте рекомендуется использовать напряжение управления затвором около 18 V.

Тенденции изменения сопротивления в открытом состоянии SiC MOSFET в зависимости от VGS и температуры

7. На что следует обращать внимание при проектировании SiC MOSFET ?

· Не следует напрямую использовать напряжение управления затвором, применяемое для Si MOSFET или IGBT.

· Согласно даташиту, подтвердите значение RDS(on) при целевом VGS.

· Используйте преимущества низкого Qg, низкой ёмкости переходов и низких потерь при восстановлении для повышения частоты переключения.

· При повышении частоты контур управления и паразитные параметры печатной платы становятся более чувствительными.

· В приложениях с высокими температурами необходимо учитывать изменение сопротивления в открытом состоянии в зависимости от температуры.

8. Для каких областей применения подходит?

В исходном тексте указано, что SiC MOSFET в основном используются в источниках питания промышленного оборудования, инверторах и преобразователях высокоэффективных регуляторов мощности. Их преимущества особенно подходят для систем с высоким напряжением, высокой частотой, высокой эффективностью, а также для систем, где требуется уменьшение размера радиаторов и пассивных компонентов.

Итоги

Ключевые преимущества SiC MOSFET можно обобщить следующим образом: сохранение относительно низкого сопротивления в открытом состоянии при высоких напряжениях, отсутствие выраженного хвостового тока при выключении, характерного для IGBT, возможность работы на более высоких частотах переключения, а также относительно плавный рост сопротивления в открытом состоянии при высоких температурах. Это не просто «более продвинутая версия» традиционных MOSFET, а класс силовых компонентов, требующий пересмотра схем управления затвором и компоновки высокочастотных цепей. Только при комплексном проектировании с учётом характеристик компонента, напряжения управления и частоты системы можно в полной мере раскрыть потенциал SiC.