Hoe derde generatie SiC MOSFET's toepassen op vermogensontwerpen voor hogere prestaties en efficiëntie

Er is een niet aflatende drang naar grotere efficiëntie, kleinere afmetingen en betere prestaties in energietoepassingen zoals industriële motoraandrijvers, AC/DC en DC/DC-inverters/convertors, batterijladers en energieopslagsystemen. Deze agressieve prestatie-eisen hebben de mogelijkheden van silicium (Si) MOSFET's overtroffen en hebben geleid tot nieuwere transistorarchitecturen op basis van siliciumcarbide (SiC).

Hoewel deze nieuwere apparaten aanzienlijke voordelen boden voor de belangrijkste prestatieparameters, waren ontwerpers op hun hoede voor de eerste generatie SiC-apparaten vanwege diverse beperkingen en toepassingsonzekerheden. De tweede generatie apparaten bracht betere specificaties en een beter begrip van de subtiliteiten van het apparaat. Naarmate de prestaties van SiC MOSFET's toenamen en de druk om producten op de markt te brengen toenam, gebruikten ontwerpers deze nieuwere apparaten om aan de productdoelstellingen te voldoen. Meer recent toont de derde generatie apparaten de volwassenheid van op SiC gebaseerde vermogenscomponenten aan. Deze toestellen bieden gebruikers verbeteringen op belangrijke parameters en bouwen tegelijkertijd voort op de ontwerpervaring en daarmee samenhangende expertise van de vorige generaties.

Dit artikel vergelijkt Si met SiC, alvorens de ontwikkeling en migratie naar SiC MOSFET's van de derde generatie te bespreken. Vervolgens worden praktijkvoorbeelden van Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba) gepresenteerd om te laten zien hoe deze apparaten ontwerpers kunnen helpen aanzienlijke vooruitgang te boeken bij het ontwerp van energiesystemen.

Silicium versus SiC

In de afgelopen decennia heeft de op silicium gebaseerde MOSFET het ontwerp van energiesystemen, gaande van basisvoedingen en inverters tot motoraandrijvingen, ingrijpend gewijzigd. Samen met de bipolaire transistor met geïsoleerde poort (IGBT) - een functioneel vergelijkbare halfgeleider maar met een heel andere constructie en eigenschappen - heeft de voor schakelen geoptimaliseerde Si MOSFET een overgang mogelijk gemaakt van traditionele, inefficiënte stroomomzetting en -beheer op basis van lineaire topologieën, naar een veel efficiëntere en compactere aanpak met geschakelde besturing.

De meeste van deze ontwerpen maken gebruik van een vorm van pulsbreedtemodulatie (PWM) om de gewenste spanning, stroom of vermogenswaarde te leveren en te handhaven in een gesloten-lus terugkoppeling. Naarmate het gebruik van silicium MOSFET's toenam, namen ook de eisen die aan hen werden gesteld toe. Bovendien hebben nieuwe efficiëntiedoelstellingen (vele gebaseerd op regelgevingsmandaten), de markten voor elektrische voertuigen en slimmere motorbesturing, vermogensomzetting voor hernieuwbare energie en bijbehorende energieopslagsystemen deze MOSFET's ertoe aangezet meer en beter te doen.

Als gevolg daarvan zijn de prestaties van op silicium gebaseerde MOSFET's door een aanzienlijke hoeveelheid O&O-inspanningen verbeterd, maar onderzoekers realiseerden zich dat deze inspanningen het punt van afnemende opbrengsten bereikten. Gelukkig hadden ze een alternatief, in theorie, gebaseerd op vermogensschakelaars die SiC als substraat gebruikten in plaats van alleen silicium.

Waarom SiC gebruiken?

Om diverse diep-fysische redenen heeft SiC drie belangrijke elektrische eigenschappen die aanzienlijk verschillen van silicium alleen, en elk daarvan brengt operationele voordelen met zich mee; er zijn ook andere, subtielere verschillen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Vergelijking bij benadering van de belangrijkste materiaaleigenschappen van vaste materialen SiC versus Si en galliumnitride (GaN). (Bron afbeelding: Researchgate)

De drie belangrijkste kenmerken zijn:

• Hogere kritische doorslagspanning van ongeveer 2,8 megavolts/centimeter (MV/cm) tegen 0,3 MV/cm, zodat gebruik bij een bepaalde spanning mogelijk is met een veel dunnere laag, waardoor de "aan"-weerstand van de afvoerbron (R_DS(on)) sterk wordt verminderd.
• Een hogere thermische geleidbaarheid, wat leidt tot een hogere stroomdichtheid, oftewel stroom per oppervlak.
• Bredere bandkloof (het energieverschil in elektronvolt tussen de top van de valentieband en de bodem van de geleidingsband in halfgeleiders en isolatoren), met als gevolg een lagere lekstroom bij hoge temperaturen. Daarom worden SiC-dioden en veldeffecttransistoren (FET's) vaak aangeduid als WBG-apparaten (wide bandgap).

Als gevolg daarvan kunnen op SiC gebaseerde apparaten spanningen tot tien keer hoger blokkeren dan structuren met alleen silicium, kunnen zij ongeveer tien keer sneller schakelen, en hebben zij een R_DS(on) van de helft of minder bij 25 °C terwijl zij dezelfde oppervlakte van de matrijs gebruiken (alle cijfers bij benadering, natuurlijk). Ook is het turn-off schakelverlies van SiC-apparaten minder omdat er geen nadelige staartstroom is. Tegelijkertijd vergemakkelijkt hun vermogen om te werken bij veel hogere temperaturen van ongeveer 200 °C, tegenover 125 °C, thermische ontwerp- en beheersproblemen.

Door hun prestatiekenmerken en vooruitgang hebben SiC-apparaten nu een prominente plaats ingenomen in de matrix van toepassingen voor vermogen en snelheid, naast IGBT's, silicium MOSFET's en GaN-apparaten (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De prestatiekenmerken van SiC MOSFET's maken ze geschikt voor een breed scala van toepassingen met een breed scala aan vermogens en frequenties. (Bron afbeelding: Toshiba)

De weg van de onderliggende SiC-materiaalwetenschap en -fysica naar commerciële SiC MOSFET's was niet snel of gemakkelijk (Afbeelding 3). Na uitgebreid onderzoek en productie-inspanningen werden in 2001 de eerste op SiC gebaseerde apparaten - Schottky-dioden - geïntroduceerd. In de twee decennia daarna heeft de industrie productievolumes van de eerste, tweede en derde generatie SiC MOSFET's ontwikkeld en uitgebracht. Elke generatie biedt gerichte verbeteringen in specifieke parameters, samen met enigszins verschillende afwegingen.

Afbeelding 3: Het verhaal van commerciële apparaten op basis van SiC begint met de eerste commerciële SiC Schottky-dioden, die in 2001 verschenen. (Bron afbeelding: IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Merk op dat het belangrijk is om duidelijk te zijn over de terminologie: net als hun voorgangers die alleen uit silicium bestaan, zijn FET's op basis van SiC MOSFET's. De interne fysieke structuur is in ruime zin vergelijkbaar en ze hebben allebei drie aansluitpunten: source, drain en gate. Het verschil is zoals hun namen aangeven: FETS op basis van SiC gebruiken SiC als basismateriaal in plaats van alleen silicium.

Begin met de eerste en tweede generatie

Er zijn vele parameters die de prestaties van een schakelapparaat kenmerken. Tot de vele statische parameters behoren de maximale bedrijfsspanning en de maximale stroomsterkte, samen met twee statische "Figures of Merit" (FoM's): de R_DS(on) en de maximale bedrijfstemperatuur, die verband houden met het vermogen dat een bepaalde matrijsgrootte en verpakking kan verwerken.

Als schakelapparatuur zijn de dynamische parameters ook kritisch, omdat zij nodig zijn om de schakelverliezen te beoordelen. De meest geciteerde dynamische FoM is het product van de R_DS(on) en de poortlading, RDS_(on) × Q_g, terwijl een steeds belangrijker wordende is de omgekeerde herstellading, Q_rr. De afmetingen en mogelijkheden van de gatedriver die nodig is om de stroom naar de schakelapparatuur op de juiste wijze aan te wenden en af te voeren - zonder overshoot, ringing of andere vervormingen - worden hoofdzakelijk bepaald door deze FoM's.

Het gebruik en de marktgroei van SiC-apparaten van de eerste generatie werden afgeremd door betrouwbaarheidsproblemen. Een daarvan betreft PN-dioden, die worden geplaatst tussen de stroombron en de stroomafvoer van een vermogens-MOSFET. Spanning op de PN-diode activeert deze, waardoor de on-weerstand verandert en de betrouwbaarheid van het apparaat afneemt.

De tweede generatie van Toshiba wijzigde de basisstructuur van het SiC-apparaat door een in de MOSFET ingebouwde Schottky-barrièrediode (SBD) te gebruiken om dit probleem grotendeels op te lossen (Afbeelding 4). Dit verbeterde de betrouwbaarheid met meer dan een orde van grootte. De nieuwe structuur voorkwam dat de PN-diode onder spanning kwam te staan door de SBD parallel aan de PN-diode in de cel te plaatsen. Er vloeit stroom door de ingebouwde SBD omdat zijn aan-statusspanning lager is dan die van de PN-diode, waardoor sommige veranderingen in de aan-weerstand en de degradatie van de betrouwbaarheid van de MOSFET worden onderdrukt.

Afbeelding 4: In tegenstelling tot de typische SiC MOSFET zonder interne Schottky-barrièrediode (SBD) (links), kan die met SBD (rechts) de activering van de parasitaire PN-diode minimaliseren. (Bron afbeelding: Toshiba)

MOSFET's met ingebouwde SBD's werden reeds in de praktijk gebruikt, maar alleen in hoogspanningsproducten, zoals apparaten van 3,3 kilovolt (kV), aangezien de ingebouwde SBD ervoor zorgde dat de inschakelweerstand uiteindelijk steeg tot een niveau dat alleen hoogspanningsproducten kunnen verdragen. Toshiba paste verschillende apparaatparameters aan en ontdekte dat de verhouding van het SBD-oppervlak in een MOSFET de sleutel is tot het onderdrukken van de verhoogde inschakelweerstand. Door de SBD-verhouding te optimaliseren, bedacht Toshiba een SiC MOSFET van 1,2 kV-klasse met een opmerkelijke verbetering van de betrouwbaarheid.

Maar zoals bij veel verbeteringen waren er ook hier compromissen. Hoewel de nieuwe apparaatstructuur de betrouwbaarheid aanzienlijk verbeterde, had zij ook een nadelig effect op twee FoM's. Het verhoogde de nominale R_DS(on) en R_DS(on) × Q_g, waardoor de prestaties van de MOSFET afnamen. Om de on-weerstand te compenseren en te verminderen, hadden de SiC MOSFET's van de tweede generatie een groter matrijsoppervlak, maar dit verhoogde de kosten.

Derde generatie toont ware volwassenheid

Toshiba onderkende deze zorg en ontwikkelde een derde generatie SiC MOSFET-apparaten, de TWXXXN65C/TWXXXN120C-familie. Deze apparaten hebben de structuur van de stroomverspreidende laag geoptimaliseerd om de celgrootte te verkleinen en ook een hogere spanning, snellere schakeling en lagere inschakelweerstand te leveren.

De onweerstand wordt gedeeltelijk verlaagd door de spreidingsweerstand (R_spread) te verminderen. De SBD-stroom wordt verhoogd door stikstof te injecteren in de bodem van het brede P-type diffusiegebied (P-well) van de SiC MOSFET. Toshiba verkleinde ook het JFET-gebied en injecteerde stikstof om de terugkoppelcapaciteit en JFET-weerstand te verminderen. Dientengevolge werd de terugkoppelcapaciteit verminderd zonder de inschakelweerstand te verhogen. Een stabiele werking zonder fluctuatie van de inschakelweerstand werd ook verkregen door een geoptimaliseerde positionering van de SBD.

Momenteel bestaat de familie uit 650-volt en 1.200-volt SiC MOSFET's die zijn ontworpen voor industriële toepassingen met hoog vermogen, zoals 400-volt en 800-volt AC/DC-voedingen, fotovoltaïsche (PV) inverters en bidirectionele DC/DC-convertors voor ononderbreekbare voedingen (UPS'en). Zowel de 650 volt als de 1.200 volt SiC MOSFET's worden aangeboden in de standaard drievoudige TO-247 verpakking (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De Toshiba 650 V en 1200 V SiC MOSFET's van de derde generatie, die in een standaard T0-247 behuizing zijn ondergebracht, zijn zeer geschikt voor een breed scala aan toepassingen voor vermogensomzetting, regeling en beheer. (Bron afbeeldingg: Toshiba)

In deze SiC MOSFET's van de derde generatie is de R_DS(on) × Q_g FoM met 80% verminderd in vergelijking met de tweede generatie apparaten van Toshiba - een aanzienlijke daling - terwijl het schakelverlies met ongeveer 20% is afgenomen. De ingebouwde Schottky-barrièrediodetechnologie biedt ook een ultralage voorwaartse spanning (V_F).

Er zijn nog andere ontwerpsubtiliteiten in verband met MOSFET's. Neem bijvoorbeeld V_GSS. V_GSS is de maximale spanning die kan worden aangelegd tussen de gate en de source terwijl de drain en de source kortgesloten zijn. Voor SiC-apparaten van de derde generatie is het V_GSS-bereik 10 tot 25 volt, met 18 volt als aanbevolen waarde. De brede V_GSS-classificaties helpen het ontwerp te vergemakkelijken en de betrouwbaarheid van het ontwerp te verbeteren.

Verder helpen de lage weerstand en een hogere drempelspanning (V_GS(th)) - de spanning waarbij het MOSFET-kanaal begint te geleiden -storingen te voorkomen, zoals het per ongeluk inschakelen als gevolg van pieken, glitches en overshoots. Deze spanning varieert van 3,0 tot 5,0 volt, wat bijdraagt tot voorspelbare schakelprestaties met minimale drift en tegelijkertijd een eenvoudig gate-driver-ontwerp mogelijk maakt.

650-volt en 1200-volt derde generatie SiC MOSFET's nader bekeken

Een blik op twee apparaten aan tegenovergestelde uiteinden van het familiespectrum, de 650-volt en 1200-volt apparaten, toont de reikwijdte van hun mogelijkheden. Het fysieke pakket, de pin-out en het schematische symbool zijn voor allemaal hetzelfde (Afbeelding 6), maar de details verschillen.

Afbeelding 6: Alle leden van Toshiba's SiC MOSFET-familie van de derde generatie hebben dezelfde fysieke opstelling en hetzelfde schematische symbool; let op de integrale Schottky-barrièrediode in het symbool. (Bron afbeelding: Toshiba)

Eén apparaat van 650 volt is de TW015N65C, een N-kanaalapparaat van 100 ampère (A) en 342 watt. Zijn typische specificatiewaarden zijn een ingangscapaciteit (C_ISS) van 4.850 picofarads (pF), een lage gate-ingangslading (Q_g) van 128 nanocoulomb (nC), en een nominale R_DS(on) van slechts 15 milliohms (mΩ).

Samen met tabellen met minimum-, typische en maximumcijfers voor statische en dynamische parameters, bevat het gegevensblad grafieken die de prestaties van kritieke parameters tonen tegenover factoren zoals temperatuur, afvoerstroom en gate-bronspanning (V_GS). Bijvoorbeeld, de waarde van R_DS(on) versus temperatuur, stroom (I_D) en gate-source spanning V_GS wordt getoond in Afbeelding 7.

Afbeelding 7: De grafieken tonen de aan-weerstand van de TWO15N65C vanuit verschillende gezichtspunten, waaronder stroom, omgevingstemperatuur en V_GS. (Bron afbeelding: Toshiba)

Dezelfde reeks specificaties en grafieken worden getoond in Afbeelding 8 voor de 1200 volt apparaten, zoals de TW140N120C, een 20 A, 107 watt, N-kanaal apparaat. Deze SiC MOSFET heeft een lage C_ISS van 6000 pF, een gate-input lading (Q_g) van 158 nanocoulomb (nC), en een R_DS(on) van 140 mΩ.

Afbeelding 8: Karakterisatiegrafieken van de weerstand van de TW140N120C. (Bron afbeelding: Toshiba)

De tien beschikbare Toshiba SiC MOSFET's van de derde generatie bestaan uit vijf apparaten van 650 volt en vijf van 1200 volt. Bij 25 °C hebben ze de volgende inschakelweerstand, stroom en vermogen:

650 volt:

• 15 mΩ, 100 A, 342 watt (de TWO15N65C)
• 27 mΩ, 58 A, 156 watt
• 48 mΩ, 40 A, 132 watt
• 83 mΩ, 30 A, 111 watt
• 107 mΩ, 20 A, 70 watt

1200 volt:

• 15 mΩ, 100 A, 431 watt
• 30 mΩ, 60 A, 249 watt
• 45 mΩ, 40 A, 182 watt
• 60 mΩ, 36 A, 170 watt
• 140 mΩ, 20 A, 107 watt (de TW140N120C)

Conclusie

MOSFET's van siliciumcarbide bieden een aanzienlijke verbetering van de kritische schakelparameters ten opzichte van apparaten met alleen silicium. Vergeleken met vorige generaties bieden SiC-componenten van de derde generatie betere specificaties en FoM's, een grotere betrouwbaarheid, een betere karakterisering van de vereisten voor de gate-driver en meer inzicht in onvermijdelijke ontwerpsubtiliteiten. Met deze SiC MOSFET's beschikken ontwerpers van voedingssystemen over een extra kernbron die zij kunnen gebruiken om een hoger rendement, kleinere afmetingen en betere algemene prestaties te bereiken.