Моп-транзистор из карбида кремния: почему SiC заменяет кремний в силовой электронике

A карбид кремния МОП-транзистор является силовым полевым транзистором, построенным на пластине 4H-SiC вместо кремния, поэтому он блокирует сотни до тысячи вольт на гораздо более тонком слое, переключается быстрее, и работает горячее, чем кремниевый МОП-транзистор, Этот единственный обмен материала является причиной того, что SiC МОП-транзисторы вытесняют кремниевые IGBT в EV-инверторах и высокочастотных источниках питания. мы приходим к этому с необычного угла: DONGHE строит алмаз Пила для резки пластин SiC машины, которые разрезают пластины, на которых изготавливаются эти устройства, поэтому последний раздел соединяет чип, который вы покупаете, с булем, с которого он начинался.

Что такое МОП-транзистор из карбида кремния?

Моп-транзистор из карбида кремния - это полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, в котором в качестве полупроводникового материала вместо обычного кремния используется карбид кремния (SiC). Это а униполярный устройство: ток течет только через мажоритарные несущие (электроны), без сохраненного хвоста миноритарного заряда, поэтому он отключается чисто и быстро. Функционально он переключается, как любой силовой МОП-транзистор, напряжение затвора управляет каналом сток-исток, но кристалл SiC позволяет тому же кристаллу сдерживать гораздо более высокое напряжение.

Почему стоит заботиться об определении? потому что обращение с SiC MOSFET как с капельной кремниевой деталью является самой дорогой ошибкой новичка в проектировании питания: вы либо платите за блокировку напряжения и температуры над головой, которую никогда не используете, либо вы управляете им с неправильным напряжением затвора и готовите устройство, которое стоит в несколько раз дороже, чем кремниевый эквивалент. Этикетки имеют здесь значение.

Три структурных факта отделяют его от кремниевого МОП-транзистора Во-первых, подложка и область дрейфа являются 4H-SiC, соединение кремния и углерода, а не чистого кремния. во-вторых, поскольку SiC переносит гораздо более высокое электрическое поле, слой дрейфа, блокирующий напряжение, намного тоньше для заданного рейтинга, что снижает сопротивление на в-третьих, большинство сильноточных МОП-транзисторов SiC добавляют четвертый контакт, источник Кельвина, чтобы отделить возврат драйвера затвора от пути питания. Если вам нужно изображение на входе, см. наш праймер на кремниевый вафельный материал и шире типы полупроводниковых пластин используется для изготовления этих устройств.

Материал: почему широкополосный SiC меняет правила

Пропустите физику материала и каждое более позднее решение, класс напряжения, привод затвора, охлаждение, превращается в догадку. что делает карбид кремния МОП-транзистор превосходит кремний, так это материал, а не схема. SiC - широкозонный полупроводник, и его выдающимся свойством является критическое поле пробоя, примерно в десять раз превышающее поле кремния. Мы называем последствием 10× Рычаг Разбивочного Поля: поскольку SiC выдерживает примерно в десять раз больше электрического поля, прежде чем он сломается, область дрейфа, которая блокирует номинальное напряжение, может быть сделана примерно на одну десятую толщины, а более тонкая область дрейфа означает значительно меньшее сопротивление в состоянии и потери проводимости при то же блокирующее напряжение.

*Теплопроводность указывается по-разному в разных источниках (обычно ~3,7 Вт/см·К, до ~4,9 Вт/см·К для высокочистого 4H-SiC); оно варьируется в зависимости от политипа, легирования и температуры. Исходное критическое поле кремния составляет 0,3 МВ/см на см Широкополосные заметки об устройствах Технологического института Вирджинии; Свойства материала SiC согласно Обзор силовой электроники SiC, проведенный НИЗ/NCBI.

Какова запрещенная зона карбида кремния?

Промежуток 4H-SiC составляет около 3,26 эВ, что почти в три раза превышает ~1,1 эВ кремния. Промежуток - это энергия, необходимая электрону для перехода в проводимость, а более широкий зазор означает, что термически возбуждается гораздо меньше носителей, поэтому ток утечки остается низким во время высокотемпературной работы, поэтому МОП-транзистор из карбида кремния продолжает блокировать напряжение там, где кремниевое устройство выйдет из строя.

Этот большой разрыв также является причиной высокого прямого падения напряжения на теле SiC, компромисса, к которому мы возвращаемся ниже. Важно отметить, что SiC имеет значение не выигрыш на подвижности электронов, его объемная подвижность фактически ниже кремниевой, а преимущество - в напряженности поля, теплопроводности и скорости насыщения вместо них.

SiC MOSFET против кремниевого MOSFET: откуда берутся выгоды

Против кремниевого МОП-транзистора SiC MOSFET выигрывает на четырех измеримых фронтах: более низкое сопротивление включению при высоком напряжении, меньшие потери при переключении, гораздо больший запас тепла и меньшие пассивные компоненты. Министерство энергетики США измерило достижение SiC-инвертора КПД 99% против 96% для сопоставимого кремниевого инвертора, около 3% энергосбережения в той же роли, согласно его Отчет о широкозонных полупроводниках для силовой электроники.

Эта последняя строка - это часть, которую покупатели получают назад. Мы называем это Инверсия затрат на устройство в систему: кристалл SiC почти всегда стоит дороже, чем кремниевая деталь, но в правильной конструкции, высокое напряжение, высокая частота переключения, эффективность система может стоить дешевле, потому что более быстрое переключение уменьшает трансформатор, индукторы и конденсаторы, а более высокий КПД режет радиатор Это условный, а не автоматический В низковольтной, чувствительной к затратам конструкции 48 В инверсия не появляется и кремниевая деталь выигрывает Относитесь к этому как к вопросу дизайна, а не как к слогану.

Почему SiC лучше кремния?

SiC лучше кремния для высоковольтного высокочастотного переключения мощности, поскольку его широкая запрещенная зона и критическое поле ~10× позволяют более тонкому устройству блокировать то же напряжение с меньшим сопротивлением, в то время как его более высокая теплопроводность уносит тепло. Вместе это означает меньшие потери на проводимость и переключение, меньшее охлаждение и магнитную энергию, а также высокотемпературную работу, с которой не может сравниться МОП-транзистор на основе кремния.

Одно честное предостережение: для низковольтных или ориентированных на затраты конструкций кремний по-прежнему является рациональным выбором, SiC зарабатывает свою премию только тогда, когда требуются целевые показатели напряжения, частоты или эффективности. рецензируемые работы над 4H-SiC DMOSFET документируют именно это полевое и тепловое преимущество.

SiC MOSFET против GaN против кремниевого IGBT

Честный ответ на “, какое широкозонное устройство я должен использовать”, заключается в том, что оно зависит от напряжения и частоты, ни одна технология не выигрывает везде. национальные лаборатории США, такие как Программа Сандии по силовой электронике разрабатывайте устройства SiC и GaN параллельно, что является признаком того, что они дополняют друг друга, а не конкурируют. Нитрид галлия (GaN) приводит к низкому напряжению и очень высокой частоте; МОП-транзистор из карбида кремния владеет диапазоном высокого напряжения от среднего до высокого; а кремниевый IGBT выживает в экономичных конструкциях высокого напряжения, где скорость переключения имеет меньшее значение.

В чем разница между IGBT и SiC MOSFET?

В своей основе IGBT является биполярным устройством, в то время как SiC MOSFET является униполярным. Биполярный транзистор с изолированным затвором вводит неосновные носители, обеспечивая сильную проводимость при высоком токе, но оставляя при выключении “tail токо”, который тратит энергию и ограничивает частоту переключения. МоП-транзистор из карбида кремния проводит только с электронами, поэтому у него нет хвостового тока, и он переключается в несколько раз быстрее.

На практике инженеры заменяют кремниевые модули IGBT на SiC-МОП-транзисторы, когда им нужны более высокие частоты переключения, меньшая магнитность и лучшая эффективность, и сохраняют IGBT там, где скорость переключения не важна, и правила предварительной стоимости. что касается GaN, инженеры по силовой электронике обычно сообщают, что выбор не в “SiC всегда выигрывает”: ниже 650 В на очень высокой частоте GaN может быть лучшим переключателем.

Команды теряют месяцы из-за этого точного несоответствия. Представьте себе группу быстрого зарядного устройства, которая достигает 1200 В SiC MOSFET, потому что “wide-bandgap” стал ответом по умолчанию, когда их шина 400 В и цель 300 кГц были учебником, подходящим для 650 В GaN ступень, которая бы переключалась быстрее, работать холоднее и стоить меньше. они выбрали правильное семейство по неправильной причине, и скамейка, полная негабаритных радиаторов заплатила за это. Подберите устройство к напряжению и частоте шины в первую очередь; репутация во вторую.

Классы напряжения и соответствие одного вашему приложению

Выберите неправильный класс напряжения и вы платите дважды: выберите слишком низкий и один переходный скачок разрушает деталь, выберите слишком высокий и вы прядь на сопротивление и деньги вы никогда не восстанавливать. SiC MOSFET продаются в дискретных классах напряжения, и выбор один начинается от вашей шины постоянного тока, а не устройства. Как правило большой палец, дерате: выберите блокировки рейтинг примерно 1.52× вашей номинальной шины, чтобы переходные никогда не проталкивали устройство мимо его предела Возьмите рабочий пример: 800 В шина батареи EV, дефорсированная примерно до 5060% использование устройства, приземляется на a 1200 В СиК МОП-транзистор. Тем временем шина 400 В переходит в деталь напряжением 650 В; солнечная нить или железнодорожное сообщение напряжением 1500 В переводит вас на напряжение 1700 В или 3,3 кВ.

Матрица приложения напряжения 5 классов

Используйте эту матрицу для перехода от напряжения шины к классу устройств и сопутствующему ему диоду по пяти широко используемым классам напряжения SiC MOSFET.

Команды электроники обычно усваивают урок дегазации на собственном горьком опыте. Представьте себе инженера по вождению, который предлагает деталь напряжением 1200 В для звена постоянного тока напряжением 1100 В, чтобы сэкономить несколько долларов на устройстве: на скамейке все работает нормально, но первое жесткое регенеративное событие вызывает всплеск напряжения выше номинала и вынимает целую полумостовую ножку, выжженную и дымящуюся, без строки технического описания, которая предупреждала бы их. Их исправлением был столбец в матрице ниже, а не новое устройство.

Здесь имеют значение две диодные ноты.

Моп-транзистор SiC имеет собственный корпусной диод, но его прямое падение напряжения ~ 4 В тратит энергию на обратную проводимость, поэтому во многих конструкциях добавляется параллельный диод SiC Шоттки с почти нулевым зарядом обратного восстановления. Более высокий рейтинг устройства также дает вам больше переходного пространства над головой, чем у IGBT того же номинального напряжения, поэтому SiC MOSFET допускает скачки, присутствующие в каждой реальной энергосистеме. Высоковольтные структуры DMOSFET, стоящие за этими классами, документированы в Запись IEEE на устройствах преобразования мощности 4H-SiC.

Где используются МОП-транзисторы из карбида кремния

SiC MOSFET появляются везде, где эффективность, плотность мощности или рабочая температура находятся под давлением. Каждое приложение выбирает SiC по конкретной, измеримой причине, а не по престижу, и случай эффективности документируется национальными лабораториями США, включая DOE работа над конкурентоспособной по стоимости силовой электроникой SiC.

Рассмотрим конкретный случай: автомобильная команда восстанавливает тяговый инвертор мощностью 400 кВт для архитектуры 800 В меняет местами шесть кремниевых модулей IGBT на модули SiC MOSFET 1200 В. Более быстрое переключение позволяет им уменьшить емкость линии постоянного тока и контур охлаждения, прирост эффективности ~3% добавляет реальный дальность движения, и инвертор теряет вес, ту же самую торговлю, которую Tesla сделала, когда она приняла SiC MOSFET в инверторе Model 3. Помимо тягового инвертора, основными пунктами назначения являются:

• ✔Бортовые зарядные устройства и быстрая зарядкаболее высокая эффективность и сверхбыстрая зарядка 800 В.
• ✔Инверторы солнечной энергии и накопления энергиивысокочастотное высокоэффективное преобразование мощности в топологиях ООО и полумоста.
• ✔Приводы двигателей промышленного назначенияфильтры меньшего размера, меньшие потери вспомогательной мощности, более высокая надежность при температуре.
• ✔Блоки питания Datacenter/AIплотность мощности на стойку приводит к переходу на силовые устройства SiC и силовые модули.

Проектирование с использованием SiC MOSFET: подвод ворот и подводные камни компоновки

Самый быстрый способ испортить хороший МОП-транзистор из карбида кремния - это управлять им, как кремниевой деталью. Этим устройствам нужен индивидуальный привод ворот и чистая компоновка; приведенные ниже правила - это элементы проверки дизайна, а не универсальные константы, всегда соответствующие конкретному техническому описанию.

“Большинство кремниевых МОП-транзисторов достигают низкой насыщенности VDS от 8 В до 10 В между затвором и источником. Однако для достижения низкой насыщенности VDS для МОП-транзисторов SiC обычно требуется от 15 В до 20 В VGS.”

Ян Пул, инженер-электронщик и автор, Электроника Примечания

Один классический сбой поля показывает, почему это важно: команда повторно использует драйвер кремниевого IGBT 0 В/+12 В на полумосте SiC, быстрый край dv/dt на коммутационном узле соединяется через емкость затвора и выталкивает устройство выключенного состояния выше его порога, и оба транзистора проводят одновременно. Этот ток переключения проходит через ножку, и симптомом является выжженный модуль на скамье, а не предупреждение в таблице данных. Чаще всего обнаруживаются три ошибки: повторное использование драйвера затвора IGBT, у которого окно напряжения и ток не соответствуют SiC; удержание затвора на 0 В выключено вместо отрицательного смещения, что вызывает ложное включение; и игнорирование индуктивности источника, поэтому резкое dv/dt снова подключается к затвору. Оксид затвора SiC также заслуживает уважения, независимого уважения обзоры надежности разложения оксида затвора и прочности короткого замыкания покажите, почему маржа и квалификация имеют значение.

От SiC Boule до готовой к использованию пластины: основа Пропускает большинство гидов

Каждый карбид кремния МОП-транзистор начинается как SiC-буль, который необходимо нарезать на пластины, и именно там живет наш магазин. как OEM-производитель с проволочной пилой, в котором более 10 000 режущих корпусов и более 300 клиентов по всему миру, мы нарезаем SiC, сапфир и кремний, а SiC входит в число самых твердых материалов, нарезанных коммерчески. В руководствах по последующим устройствам редко упоминается, что качество пластины в виде нарезки устанавливает потолок всего, что следует за этим.

На нашем собственном режущем полу колья бетонные: 150 мм SiC буль представляет тысячи долларов кристалла, и если он покидает проволочную пилу с большим общим изменением толщины, покупателю приходится шлифовать больше каждой пластины только для того, чтобы достичь плоской, без повреждений поверхности, превращая оплаченный материал в суспензию. Вот почему мы рассматриваем натяжение проволоки, скорость подачи и износ проволоки как рычаги текучести, а не только настройки машины. Этот буль бега цепи → ломтик → шлифовка/полировка → эпитаксия → изготовление устройства. Когда многопроволочная алмазная пила разрезает буль, она оставляет прорезь, изменение общей толщины (TTV) и слой повреждения подповерхностью. Высокий TTV или слой глубокого повреждения заставляет больше шлифовать и полировать, чтобы восстановить плоскую, бездефектную поверхность, а материал, удаленный как прорезь и шлифовальный материал, представляет собой карбид кремния, за который вы заплатили, но никогда не отправите в виде штампа. Опубликованная работа над штампом. нарезка монокристаллического SiC фиксированной абразивной алмазной проволокой подтверждает, как параметры нарезки приводят к повреждению недр. Для стороны устройства это означает, что чем чище срез, тем более удобный штамп на пластину; для покупателей это означает, что качество подложки является реальным драйвером затрат, а не сноской.Мы углубляемся в нижний этап в нашем руководстве утончение пластины, и в саму режущую машину на Пила для резки пластин SiC страница. Та же физика применима и к простому карбид кремния, и соединяется с более широким процесс изготовления полупроводников.

Перспективы отрасли: что способствует внедрению SiC MOSFET

Решающей силой внедрения карбидокремниевого МОП-транзистора является не общий номер рынка, а переход от пластин SiC диаметром 150 мм к 200 мм. Увеличение диаметра пластин дает примерно результат 2,2× больше матрицы на пластину в геометрических терминах, который является рычагом на стороне предложения, который, наконец, делает SiC конкурентоспособным с кремнием в основных автомобильных инверторах. один квалификатор имеет значение: что 2,2 × это штамп потенциал, не гарантированное снижение затрат, реализованная экономия зависит от выхода годности, исключения края, вафельный бант и повреждения, вызванного нарезкой, что именно там, где обработка вафель зарабатывает свое содержание. 200 мм SiC фабрика Wolfspeed в Германии, построенная с поставщиком автомобилей ZF, является одним из сигналов того, что отрасль обязуется более крупный формат.

Стоит посмотреть еще две смены: интегрированные силовые модули, объединяющие SiC MOSFET, драйвер ворот и терморегулирование в один пакет, и расширение автомобильных квалификационных стандартов для деталей с широким диапазоном. только для контекста, трекеры рынка проецируют рынок SiC мощность-устройств сильно расти в течение 2030-х годов, но покупатель должен планировать вокруг экономики пластины и квалификационных сроков, а не вокруг какой-либо одной цифры CAGR. Сравните шаг вверх по потоку резки на кремниевая вафля режущая проволока пила страница, чтобы узнать, почему 200-мм SiC повышает точность нарезки.

Часто задаваемые вопросы