galium nitridatransistor dansilikon karbidaMOSFET merupakan semikonduktor daya yang sedang berkembang dalam dua atau tiga tahun terakhir. Dibandingkan dengan semikonduktor daya silikon tradisional, MOSFET memiliki banyak karakteristik unggul: tegangan tahan tinggi, resistansi on-state kecil, parameter parasitik kecil, dan lain-lain. MOSFET juga memiliki karakteristik uniknya sendiri: parameter parasitik yang sangat kecil dan kecepatan switching yang sangat cepat dari transistor galium nitrida membuatnya sangat cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi. Kemudahan pengoperasian dan keandalan tinggi MOSFET silikon karbida membuatnya cocok untuk catu daya switching berkinerja tinggi.

Artikel ini didasarkan pada produk transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida dari Infineon, dan memberikan pengenalan rinci tentang struktur, karakteristik, dan perbedaan aplikasi di antara keduanya.      
Sebagai kembaran tak tertandingi dari semikonduktor daya generasi ketiga, transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida semakin menarik perhatian industri, terutama para insinyur listrik. Alasan mengapa para insinyur listrik begitu memperhatikan kedua semikonduktor daya ini adalah karena materialnya memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan material silikon tradisional, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Lebar celah pita yang lebih besar dan kekuatan medan kritis yang lebih tinggi dari material galium nitrida dan silikon karbida membuat semikonduktor daya berbasis kedua material ini memiliki karakteristik yang sangat baik seperti tegangan tahan tinggi, resistansi rendah, dan parameter parasitik kecil. Ketika digunakan di bidang catu daya switching, ia memiliki keunggulan kerugian rendah, frekuensi operasi tinggi, dan keandalan tinggi, yang dapat sangat meningkatkan efisiensi, kepadatan daya, dan keandalan catu daya switching.      
          Gambar 1: Perbandingan sifat-sifat utama silikon, silikon karbida, dan galium nitrida
Karena karakteristik unggul di atas, transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida semakin banyak digunakan di bidang industri dan akan digunakan dalam skala yang lebih besar. Gambar 2 menunjukkan bidang aplikasi dan perkiraan penjualan kedua semikonduktor daya ini yang diberikan oleh IHS Markit. Seiring dengan perluasan bidang aplikasi, penjualan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida juga akan meningkat secara signifikan. Gambar 3 adalah perkiraan penjualan untuk kedua semikonduktor daya ini yang diberikan oleh IHS Markit.      
      Gambar 2: Bidang aplikasi dan perkiraan penjualan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida
      Gambar 3: Prakiraan penjualan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida
Pada Bab 2 artikel ini, struktur dan karakteristik transistor galium nitrida akan diperkenalkan secara detail. Bab 3 akan memperkenalkan struktur dan karakteristik MOSFET silikon karbida secara detail. Pada Bab 4, analisis komparatif akan dilakukan mengenai penggunaan kedua semikonduktor daya ini dalam rangkaian yang sama untuk menjelaskan lebih jelas persamaan dan perbedaan dalam aplikasinya. Terakhir, teks lengkap akan dirangkum.      
             Struktur dan karakteristik transistor galium nitrida          

Struktur transistor galium nitrida

Berbeda dengan semikonduktor daya yang terbuat dari silikon, transistor galium nitrida menghantarkan listrik melalui gas elektron dua dimensi (2DEG) yang terbentuk oleh efek piezoelektrik dari dua material dengan celah pita yang berbeda (biasanya AlGaN dan GaN) pada antarmuka, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Karena gas elektron dua dimensi hanya menghantarkan listrik dengan konsentrasi elektron yang tinggi, tidak ada masalah rekombinasi pembawa minoritas (yaitu, pemulihan balik dioda bodi) pada MOSFET silikon.      
      Gambar 4: Diagram skematik prinsip konduktivitas galium nitrida
Struktur transistor galium nitrida dasar yang ditunjukkan pada Gambar 4 adalah transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) mode deplesi, yang berarti bahwa ketika tidak ada tegangan yang diterapkan antara gerbang dan sumber (VGS=0V), drain transistor galium nitrida dan komponen tersebut bersifat konduktif, yaitu, merupakan perangkat normally-on. Ini sangat berbeda dari sakelar daya MOSFET atau IGBT normally closed tradisional, yang sangat sulit digunakan untuk aplikasi industri, terutama di bidang catu daya switching. Untuk mengatasi masalah ini, industri biasanya memiliki dua solusi. Salah satunya adalah menggunakan struktur cascode, dan yang lainnya adalah menambahkan galium nitrida tipe P ke gerbang untuk membentuk transistor mode enhancement (normally closed). Struktur keduanya ditunjukkan pada Gambar 5.      
      Gambar 5: Dua struktur transistor galium nitrida
Gallium nitrida dalam struktur kaskade adalah gallium nitrida tipe deplesi yang dikaskadekan dengan MOSFET silikon tegangan rendah. Keuntungan dari struktur ini adalah penggeraknya persis sama dengan MOSFET silikon tradisional (karena menggerakkan MOSFET silikon). Namun, struktur ini juga memiliki kekurangan besar. Pertama, MOSFET silikon memiliki dioda bodi. Ketika gallium nitrida menghantarkan arus dalam arah terbalik, terdapat masalah pemulihan terbalik pada dioda bodi. Kedua, drain MOSFET silikon terhubung ke source gallium nitrida mode deplesi. Selama proses menghidupkan dan mematikan MOSFET silikon, osilasi antara drain dan source adalah osilasi antara source dan gate gallium nitrida. Karena osilasi ini tidak dapat dihindari, ada kemungkinan transistor gallium nitrida dapat secara keliru dihidupkan dan dimatikan. Terakhir, karena dua perangkat daya dihubungkan secara berurutan, kemungkinan untuk mengurangi resistansi keseluruhan perangkat galium nitrida lebih lanjut menjadi terbatas.      
Karena masalah-masalah di atas pada struktur kaskade, teknologi utama transistor galium nitrida dalam industri semikonduktor daya adalah transistor galium nitrida mode peningkatan. Mengambil contoh transistor galium nitrida CoolGaN dari Infineon Technologies Co., Ltd., struktur detailnya ditunjukkan pada Gambar 6.      
      Gambar 6: Diagram skematik struktur CoolGaN
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, produk transistor galium nitrida saat ini di industri memiliki struktur planar, yaitu, sumber, gerbang, dan drain berada pada bidang yang sama, yang berbeda dari struktur vertikal MOSFET silikon yang diwakili oleh teknologi Super Junction. Struktur P-GaN di bawah gerbang membentuk transistor galium nitrida mode penguatan yang dijelaskan sebelumnya. Struktur p-GaN lain di sebelah drain berfungsi untuk mengatasi masalah penurunan arus yang sering terjadi pada transistor galium nitrida. Substrat produk CoolGaN dari Infineon Technologies Co., Ltd. menggunakan material silikon, yang dapat sangat mengurangi biaya material transistor galium nitrida. Karena koefisien ekspansi termal material silikon dan material galium nitrida sangat berbeda, banyak lapisan transisi ditambahkan antara substrat dan GaN untuk memastikan bahwa transistor galium nitrida tidak akan mengalami masalah kegagalan seperti delaminasi wafer dalam kondisi kerja yang berat seperti siklus suhu tinggi dan rendah serta guncangan suhu tinggi dan rendah.      
       

Karakteristik transistor galium nitrida

Berdasarkan struktur yang ditunjukkan pada Gambar 6, CoolGaN memiliki karakteristik yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan keunggulan yang dibawanya.      
      Tabel 1: Karakteristik CoolGaN dan keunggulannya
Dari karakteristik yang ditunjukkan pada Tabel 1, dapat dilihat bahwa transistor galium nitrida tidak memiliki dioda bodi tetapi masih dapat menghantarkan arus balik, sehingga sangat cocok untuk rangkaian yang membutuhkan aliran arus balik dari sakelar daya dan akan mengalami komutasi keras, seperti PFC tanpa jembatan totem pole dalam mode arus kontinu (CCM), yang dapat mencapai keandalan dan efisiensi yang sangat tinggi. Diagram topologi rangkaian ditunjukkan pada Gambar 7. Pada gambar tersebut, Q1 dan Q2 adalah transistor galium nitrida, dan Q3 dan Q4 adalah MOSFET silikon.      
      Gambar 7: Diagram skematik topologi PFC tiang totem menggunakan transistor galium nitrida
Dari Tabel 1, kita juga dapat mengetahui bahwa galium nitrida memiliki kecepatan switching yang sangat cepat dan kerugian penggerak yang kecil, sehingga sangat cocok untuk aplikasi frekuensi tinggi. Catu daya switching frekuensi tinggi yang menggunakan transistor galium nitrida memiliki keunggulan kepadatan daya tinggi dan efisiensi tinggi. Gambar 8 menunjukkan konverter DC-DC topologi LLC 3.6KW. Frekuensi resonansi LLC adalah 350KHz. Kepadatan daya konverter mencapai 160W/in^3 dan efisiensi maksimum melebihi 98%.      
      Gambar 8: Rangkaian konversi LLC 3.6KW menggunakan CoolGaN
Dari analisis di atas, dapat dilihat bahwa transistor galium nitrida cocok untuk aplikasi yang membutuhkan efisiensi tinggi, frekuensi tinggi, dan kepadatan daya tinggi.      
             Struktur MOSFET silikon karbida dan karakteristiknya          

Struktur MOSFET silikon karbida

Struktur MOSFET silikon karbida planar umum ditunjukkan pada Gambar 9. Untuk mengurangi resistansi kanal, struktur ini biasanya dirancang dengan lapisan oksida gerbang yang sangat tipis, yang menimbulkan risiko keandalan pada lapisan oksida gerbang pada tegangan input gerbang yang lebih tinggi. Untuk mengatasi masalah ini, produk MOSFET silikon karbida CoolSiC menggunakan struktur gerbang yang berbeda, yang disebut MOSFET silikon karbida parit. Struktur gerbangnya ditunjukkan pada Gambar 10. Setelah mengadopsi struktur ini, resistansi kanal MOSFET silikon karbida tidak lagi sangat terkait dengan lapisan oksida gerbang, sehingga resistansi on-state masih dapat sangat rendah sambil memastikan keandalan dan kelayakan gerbang yang tinggi.      
      Gambar 9: Diagram struktur skematik MOSFET silikon karbida planar
      Gambar 10: Struktur gerbang parit CoolSiC
       

Karakteristik MOSFET silikon karbida

Mirip dengan transistor galium nitrida, MOSFET silikon karbida juga memiliki karakteristik resistansi on yang kecil dan parameter parasitik yang kecil. Selain itu, karakteristik dioda bodinya juga jauh lebih baik dibandingkan dengan MOSFET silikon. Gambar 11 adalah perbandingan dua indikator utama RDS(on)*Qrr dan RDS(on)*Qoss dari MOSFET silikon karbida tahan tegangan 650V CoolSiC dan CoolMOS CFD7 dari Infineon, MOSFET daya silikon dengan kinerja dioda bodi terbaik di industri. Yang pertama adalah indikator yang mengukur karakteristik pemulihan balik dioda bodi, dan yang kedua adalah indikator yang mengukur jumlah muatan yang tersimpan pada kapasitor keluaran MOSFET. Semakin kecil nilai kedua item ini, semakin baik karakteristik pemulihan baliknya dan semakin rendah muatan yang tersimpan (dalam topologi soft switching, semakin pendek zona mati yang dibutuhkan untuk tabung daya atas dan bawah dari struktur setengah jembatan). Terlihat bahwa dibandingkan dengan MOSFET silikon dengan resistansi on yang serupa, muatan pemulihan balik MOSFET silikon karbida hanya sekitar 1/6, dan muatan pada kapasitor keluaran hanya sekitar 1/5. Oleh karena itu, MOSFET silikon karbida sangat cocok untuk topologi di mana dioda bodi akan dimatikan secara paksa (seperti mode arus kontinu totem pole bridgeless PFC) dan topologi soft switching (LLC, phase-shifted full bridge, dll.).      
MOSFET silikon karbida juga memiliki karakteristik yang luar biasa: kemampuan korsleting. Dibandingkan dengan MOSFET silikon, waktu korsletingnya jauh lebih baik, yang sangat penting untuk aplikasi penggerak motor seperti inverter. Gambar 12 menunjukkan grafik perbandingan kemampuan korsleting CoolSiC dan CoolMOS. Dapat dilihat dari gambar tersebut bahwa CoolSiC mencapai karakteristik yang sangat baik seperti waktu korsleting yang lama dan arus korsleting yang kecil, dan keandalannya dalam kondisi korsleting jauh lebih baik.      
      Gambar 11: Perbandingan kinerja MOSFET silikon karbida dan MOSFET silikon
      Gambar 12: Perbandingan kemampuan korsleting MOSFET silikon karbida
Bab 3 memperkenalkan struktur dan karakteristik masing-masing transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida. Berikut ini akan membandingkan parameter dan rangkaian aktual antara keduanya.      
             Perbandingan MOSFET Gallium Nitrida dan Silikon Karbida          

Perbandingan parameter listrik

Tabel 2 menunjukkan transistor galium nitrida CoolGaN dan MOSFET silikon karbida CoolSiC, membandingkan parameter-parameter utama dari kedua semikonduktor daya tersebut.      
      Tabel 2: Perbandingan parameter utama CoolGaN dan MOSFET silikon karbida CoolSiC
Dari Tabel 2, kita dapat melihat bahwa parameter dinamis transistor galium nitrida lebih rendah daripada MOSFET silikon karbida. Oleh karena itu, kerugian switching transistor galium nitrida lebih rendah daripada MOSFET silikon karbida, dan keunggulannya akan lebih jelas pada frekuensi operasi tinggi. Ketika arus mengalir dalam arah yang berlawanan (sumber ke drain), penurunan tegangan transistor galium nitrida berkaitan dengan tegangan penggerak gerbang-ke-sumbernya. Mana yang lebih tinggi dan mana yang lebih rendah perlu dibandingkan sesuai dengan situasi aplikasi. Untuk tegangan ambang terakhir Vgs(th), nilai transistor galium nitrida sangat kecil, yang berarti bahwa perhatian besar harus diberikan pada desain penggerak transistor galium nitrida. Jika noise pada gerbang besar, hal itu dapat menyebabkan transistor galium nitrida menyala secara tidak sengaja. Pada saat yang sama, CoolGaN adalah mode penggerak tipe arus, yang berbeda dari penggerak tipe tegangan tradisional. Tegangan ambang MOSFET silikon karbida jauh lebih tinggi, dan persyaratan penggeraknya sangat mirip dengan penggerak IGBT.      
Gambar 13 menunjukkan perbandingan parameter penting lainnya, yaitu laju perubahan resistansi on RDS(on) terhadap suhu. Sudah diketahui bahwa resistansi on dari sakelar semikonduktor daya memiliki koefisien suhu positif, yaitu, semakin tinggi suhu sambungan, semakin besar resistansi on. Dapat dilihat dari Gambar 13 bahwa koefisien kenaikan suhu MOSFET silikon karbida jauh lebih kecil daripada transistor silikon nitrida dan MOSFET silikon. Ketika suhu sambungan 100°C, perbedaannya telah mencapai 30% dan 50%. Menurut Gambar 13, dapat dilihat bahwa dengan asumsi resistansi on dari MOSFET silikon karbida dan transistor galium nitrida sama pada suhu persimpangan 25°C, dalam rangkaian aplikasi yang sama, ini berarti kerugian konduksi keduanya (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) sama, tetapi ketika suhu persimpangan keduanya naik menjadi 100°C, kerugian konduksi MOSFET silikon karbida hanya 70% dari transistor silikon nitrida, yang sangat menarik untuk skenario aplikasi dengan persyaratan lingkungan yang keras dan efisiensi tinggi pada suhu tinggi.      
      Gambar 13: Kurva resistansi aktif MOSFET silikon karbida, transistor galium nitrida, dan MOSFET silikon sebagai fungsi suhu sambungan
       

Perbandingan aplikasi

Pertama, dampak transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida pada efisiensi konversi diuji pada rangkaian PFC tanpa jembatan totem-pole mode arus kontinu (CCM) yang ditunjukkan pada Gambar 7. Kondisi pengujian ditunjukkan pada Tabel 3.      
      Tabel 3: Kondisi pengujian rangkaian PFC
Dalam pengujian, dua perangkat resistansi on diuji untuk setiap sakelar daya. Untuk transistor galium nitrida, RDS(on) masing-masing adalah 35mohm dan 45mohm, dan MOSFET silikon karbida masing-masing adalah 65mohm dan 80mohm. Hasil pengujian ditunjukkan pada Gambar 14. Karena kerugian switching sakelar daya lebih tinggi daripada kerugian konduksi pada kondisi beban ringan, efisiensi transistor galium nitrida secara signifikan lebih tinggi daripada transistor silikon karbida. Ketika beban secara bertahap meningkat, kerugian konduksi menyumbang proporsi yang lebih tinggi dari total kerugian daripada kerugian switching. Pada saat yang sama, seiring dengan peningkatan beban, kenaikan suhu sakelar daya juga meningkat. Menurut laju perubahan resistansi on terhadap suhu sambungan pada Gambar 13, dapat dilihat bahwa resistansi on transistor silikon karbida meningkat lebih sedikit seiring dengan suhu. Oleh karena itu, perbedaan efisiensi antara kedua sakelar daya pada suhu tinggi sangat kecil, meskipun resistansi on-state transistor silikon karbida pada 25°C lebih tinggi daripada transistor galium nitrida.      
      Gambar 14: Kurva efisiensi transistor MOSFET silikon karbida dan galium nitrida pada tingkat PFC
Selanjutnya, kami membandingkan efisiensi terhitung dari transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida pada frekuensi operasi yang berbeda dalam topologi rangkaian LLC setengah jembatan paralel interleaved dua fase untuk daya keluaran 3KW. Perhitungan ini mengabaikan dampak peningkatan kerugian pada komponen magnetik (termasuk induktor resonansi dan induktor daya utama) yang disebabkan oleh peningkatan frekuensi. Topologi rangkaian ditunjukkan pada Gambar 15. Model transistor galium nitrida yang dipilih adalah IGOT60R070D1 (RDS(on) maksimum pada 25°C adalah 70mohm), dengan total 8 buah. Model MOSFET silikon karbida yang dipilih adalah IMZA65R048M1H (RDS(on) maksimum pada 25°C adalah 64mohm), dengan total 8 buah.      
      Gambar 15: Diagram skematik rangkaian LLC paralel bertingkat dua fasa
Pada beban 50% (1500W) dan lingkungan kerja suhu normal, perbandingan efisiensi pada frekuensi operasi yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 16. Ketika frekuensi operasi rendah (<100kHz), efisiensi penggunaan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida dengan resistansi on yang serupa adalah sama, dan keduanya dapat mencapai efisiensi yang sangat tinggi (>99.2%). Ketika frekuensi operasi meningkat menjadi 300kHz, karena parameter parasitiknya yang sangat kecil, galium nitrida memiliki proporsi kerugian switching yang rendah dalam total kerugian, sehingga efisiensinya menurun sangat sedikit (0.08%), sedangkan efisiensi MOSFET silikon karbida akan menurun sebesar 0.58% (99.28%-98.7%). Ketika frekuensi operasi naik menjadi 500kHz, selisih efisiensi antara keduanya menjadi sangat besar (1%). Tentu saja, jika untuk rangkaian sebenarnya, dengan mempertimbangkan bahwa peningkatan frekuensi akan menyebabkan peningkatan tajam pada kerugian komponen magnetik, perbedaan efisiensi antara keduanya tidak akan begitu besar, tetapi tren perubahan efisiensinya tetap sama.      
      Gambar 16: Perbandingan efisiensi dua perangkat daya pada frekuensi operasi yang berbeda
             Rekomendasi Aplikasi MOSFET Galium Nitrida dan Silikon Karbida          

Berdasarkan pembahasan di Bab 3 dan 4, yang didasarkan pada produk transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida dari Infineon Technologies Co., Ltd., rekomendasi aplikasi untuk kedua semikonduktor daya celah pita lebar ini adalah sebagai berikut:
(1) Untuk beberapa alasan, sistem yang diterapkan harus bekerja pada frekuensi melebihi 200KHz. Transistor galium nitrida adalah pilihan pertama, diikuti oleh MOSFET silikon karbida. Jika frekuensi operasi lebih rendah dari 200KHz, keduanya dapat digunakan;
(2) Sistem yang diterapkan memerlukan efisiensi yang sangat tinggi dari beban ringan hingga setengah beban. Transistor galium nitrida adalah pilihan pertama, diikuti oleh MOSFET silikon karbida;
(3) Jika sistem yang diterapkan memiliki suhu operasi maksimum yang tinggi, kesulitan dalam menghilangkan panas, atau memerlukan efisiensi yang sangat tinggi pada beban penuh, MOSFET silikon karbida adalah pilihan pertama, diikuti oleh transistor galium nitrida;
(4) Sistem yang diterapkan memiliki gangguan kebisingan yang besar, terutama gangguan penggerak gerbang. MOSFET silikon karbida adalah pilihan pertama, dan transistor galium nitrida adalah pilihan kedua;
(5) Jika sistem yang diterapkan memerlukan sakelar daya dengan kemampuan hubung singkat yang besar, MOSFET silikon karbida adalah pilihan pertama;
(6) Untuk sistem aplikasi lain tanpa persyaratan khusus, produk mana yang dipilih bergantung pada faktor-faktor seperti metode pembuangan panas, kepadatan daya, dan keakraban perancang dengan keduanya.      
             Meringkaskan          

Artikel ini memberikan pengantar terperinci mengenai struktur, karakteristik, perbedaan kinerja, dan saran aplikasi semikonduktor daya celah pita lebar yang muncul dalam beberapa tahun terakhir, yaitu transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida. Karena semikonduktor daya celah pita lebar memiliki banyak keunggulan kinerja yang tidak dapat ditandingi oleh semikonduktor material silikon, industri semakin banyak menggunakannya.      
     

Seiring industri semakin mengenal dan memiliki lebih banyak pengalaman aplikasi, penggunaan keduanya akan meningkat tajam, yang akan menurunkan harga keduanya. Hal ini pada gilirannya akan mendorong penggunaan semikonduktor daya celah pita lebar dalam skala yang lebih besar, membentuk siklus yang positif. Oleh karena itu, sangat penting bagi para insinyur listrik untuk menguasai dan menggunakan semikonduktor daya celah pita lebar sedini mungkin untuk meningkatkan daya saing produk mereka, meningkatkan visibilitas produk mereka, dan meningkatkan kemampuan mereka sendiri. Saya percaya artikel ini memiliki nilai referensi yang besar bagi para insinyur listrik untuk mengenal dan menggunakan semikonduktor daya celah pita lebar.

Penafian: Artikel ini dicetak ulang dari "TechSugar". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Tujuan pencetakan ulang dan berbagi ini hanya untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber dan penulis asli untuk pencetakan ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Nomor telepon perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/FAX: +86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manajer Li

QQ: 332496225 Manajer Qiu

Alamat: Ruang 809, Gedung C, Gedung Teknologi Zhantao, No. 1079 Jalan Minzhi, Distrik Baru Longhua, Shenzhen