Talian Khidmat
galium nitridatransistor dansilikon karbidaMOSFET merupakan semikonduktor kuasa yang sedang muncul dalam tempoh dua atau tiga tahun yang lalu. Berbanding dengan semikonduktor kuasa silikon tradisional, ia mempunyai banyak ciri yang sangat baik: voltan tahan tinggi, rintangan pada yang kecil, parameter parasit kecil, dan sebagainya. Ia juga mempunyai ciri uniknya sendiri: parameter parasit yang sangat kecil dan kelajuan pensuisan transistor galium nitrida yang sangat pantas menjadikannya sangat sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi. Pemacu mudah dan kebolehpercayaan yang tinggi MOSFET silikon karbida menjadikannya sesuai untuk bekalan kuasa pensuisan berprestasi tinggi.
Artikel ini berdasarkan produk transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida Infineon, dan memberikan pengenalan terperinci tentang struktur, ciri dan perbezaan aplikasi antara keduanya.
Sebagai kembar tiada tandingan bagi semikonduktor kuasa generasi ketiga, transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida semakin menarik perhatian industri, terutamanya jurutera elektrik. Sebab mengapa jurutera elektrik memberi perhatian yang begitu besar kepada kedua-dua semikonduktor kuasa ini adalah kerana bahannya mempunyai banyak kelebihan berbanding bahan silikon tradisional, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Lebar jurang jalur yang lebih besar dan kekuatan medan kritikal yang lebih tinggi bagi bahan galium nitrida dan silikon karbida menjadikan semikonduktor kuasa berdasarkan kedua-dua bahan ini mempunyai ciri-ciri yang sangat baik seperti voltan tahan tinggi, rintangan pada rendah, dan parameter parasit yang kecil. Apabila digunakan dalam bidang bekalan kuasa pensuisan, ia mempunyai kelebihan kehilangan yang rendah, frekuensi operasi yang tinggi dan kebolehpercayaan yang tinggi, yang boleh meningkatkan kecekapan, ketumpatan kuasa dan kebolehpercayaan bekalan kuasa pensuisan dengan ketara.
Rajah 1: Perbandingan sifat utama silikon, silikon karbida dan galium nitridaDisebabkan oleh ciri-ciri cemerlang di atas, transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida semakin banyak digunakan dalam bidang perindustrian dan akan digunakan pada skala yang lebih besar. Rajah 2 menunjukkan medan aplikasi dan ramalan jualan kedua-dua semikonduktor kuasa ini yang diberikan oleh IHS Markit. Apabila medan aplikasi berkembang, jualan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida juga akan meningkat dengan ketara. Rajah 3 ialah ramalan jualan untuk kedua-dua semikonduktor kuasa ini yang disediakan oleh IHS Markit.
Rajah 2: Medan aplikasi dan ramalan jualan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida
Rajah 3: Ramalan jualan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbidaDalam Bab 2 artikel ini, struktur dan ciri-ciri transistor galium nitrida akan diperkenalkan secara terperinci. Bab 3 akan memperkenalkan struktur dan ciri-ciri MOSFET silikon karbida secara terperinci. Dalam Bab 4, analisis perbandingan akan dijalankan ke atas penggunaan kedua-dua semikonduktor kuasa ini dalam litar yang sama untuk menjelaskan dengan lebih jelas persamaan dan perbezaan dalam aplikasinya. Akhir sekali, teks penuh akan diringkaskan.
Struktur dan ciri-ciri transistor galium nitrida
Struktur transistor galium nitrida
Rajah 4: Gambarajah skematik prinsip konduktif galium nitridaStruktur transistor galium nitrida asas yang ditunjukkan dalam Rajah 4 ialah transistor mobiliti elektron tinggi mod susutan (HEMT), yang bermaksud bahawa apabila tiada voltan dikenakan antara get dan sumber (VGS=0V), saliran transistor galium nitrida dan komponen adalah konduktif, iaitu, ia adalah peranti yang hidup secara normal. Ini sama sekali berbeza daripada suis kuasa MOSFET atau IGBT tertutup biasa tradisional, yang sangat sukar digunakan untuk aplikasi perindustrian, terutamanya dalam bidang bekalan kuasa pensuisan. Untuk menangani masalah ini, industri biasanya mempunyai dua penyelesaian. Satu ialah menggunakan struktur cascode, dan yang satu lagi ialah menambah galium nitrida jenis-P pada get untuk membentuk transistor mod peningkatan (biasanya tertutup). Struktur kedua-duanya ditunjukkan dalam Rajah 5.
Rajah 5: Dua struktur transistor galium nitridaGalium nitrida dalam struktur lata adalah galium nitrida jenis susutan yang diliputi dengan MOSFET silikon voltan rendah. Kelebihan struktur ini ialah pemacunya sama seperti MOSFET silikon tradisional (kerana ia memacu MOSFET silikon). Walau bagaimanapun, struktur ini juga mempunyai kekurangan yang besar. Pertama, MOSFET silikon mempunyai diod badan. Apabila galium nitrida mengalirkan arus dalam arah terbalik, terdapat masalah pemulihan terbalik bagi diod badan. Kedua, saliran MOSFET silikon disambungkan kepada sumber galium nitrida mod susutan. Semasa menghidupkan dan mematikan MOSFET silikon, ayunan antara saliran dan sumber adalah ayunan antara sumber dan get galium nitrida. Memandangkan ayunan ini tidak dapat dielakkan, terdapat kemungkinan transistor galium nitrida mungkin tersilap dihidupkan dan dimatikan. Akhir sekali, memandangkan dua peranti kuasa diliputi bersama, kemungkinan untuk mengurangkan lagi rintangan hidup keseluruhan peranti galium nitrida adalah terhad.
Disebabkan oleh masalah struktur lata di atas, teknologi arus perdana transistor galium nitrida dalam industri semikonduktor kuasa ialah transistor galium nitrida mod peningkatan. Dengan mengambil transistor galium nitrida CoolGaN daripada Infineon Technologies Co., Ltd. sebagai contoh, struktur terperincinya ditunjukkan dalam Rajah 6.
Rajah 6: Gambarajah skematik struktur CoolGaNSeperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6, produk transistor galium nitrida semasa dalam industri mempunyai struktur satah, iaitu sumber, get dan longkang berada dalam satah yang sama, yang berbeza daripada struktur menegak MOSFET silikon yang diwakili oleh teknologi Super Junction. Struktur P-GaN di bawah get membentuk mod peningkatan transistor galium nitrida yang diterangkan sebelum ini. Satu lagi struktur p-GaN di sebelah longkang adalah untuk menyelesaikan masalah keruntuhan semasa yang sering berlaku dalam transistor galium nitrida. Substrat produk CoolGaN Infineon Technologies Co., Ltd. menggunakan bahan silikon, yang boleh mengurangkan kos bahan transistor galium nitrida dengan ketara. Memandangkan pekali pengembangan haba bahan silikon dan bahan galium nitrida sangat berbeza, banyak lapisan peralihan ditambah antara substrat dan GaN untuk memastikan transistor galium nitrida tidak akan mengalami masalah kegagalan seperti penyingkiran wafer di bawah keadaan kerja yang teruk seperti kitaran suhu tinggi dan rendah dan kejutan suhu tinggi dan rendah.
Ciri-ciri transistor galium nitrida
Jadual 1: Ciri-ciri CoolGaN dan kelebihannyaDaripada ciri-ciri yang ditunjukkan dalam Jadual 1, dapat dilihat bahawa transistor galium nitrida tidak mempunyai diod badan tetapi masih boleh mengalirkan arus songsang, jadi ia sangat sesuai untuk litar yang memerlukan aliran arus songsang suis kuasa dan akan mengalami pertukaran keras, seperti PFC tanpa jambatan kutub totem dalam mod berterusan arus (CCM), yang boleh mencapai kebolehpercayaan dan kecekapan yang sangat tinggi. Gambar rajah topologi litar ditunjukkan dalam Rajah 7. Dalam rajah tersebut, Q1 dan Q2 ialah transistor galium nitrida, dan Q3 dan Q4 ialah MOSFET silikon.
Rajah 7: Gambarajah skematik topologi PFC kutub totem menggunakan transistor galium nitridaDaripada Jadual 1, kita juga boleh mengetahui bahawa galium nitrida mempunyai kelajuan pensuisan yang sangat pantas dan kehilangan pemacu yang kecil, jadi ia sangat sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi. Bekalan kuasa pensuisan frekuensi tinggi yang menggunakan transistor galium nitrida mempunyai kelebihan ketumpatan kuasa yang tinggi dan kecekapan yang tinggi. Rajah 8 menunjukkan penukar DC-DC topologi LLC 3.6KW. Frekuensi resonan LLC ialah 350KHz. Ketumpatan kuasa penukar mencapai 160W/in^3 dan kecekapan maksimum melebihi 98%.
Rajah 8: Litar penukaran LLC 3.6KW menggunakan CoolGaNDaripada analisis di atas, dapat dilihat bahawa transistor galium nitrida sesuai untuk aplikasi yang memerlukan kecekapan tinggi, frekuensi tinggi dan ketumpatan kuasa tinggi.
Struktur MOSFET silikon karbida dan ciri-cirinya
Struktur MOSFET silikon karbida
Rajah 9: Gambarajah struktur skematik MOSFET silikon karbida satah
Rajah 10: Struktur pintu pagar CoolSiCCiri-ciri MOSFET silikon karbida
MOSFET silikon karbida juga mempunyai ciri yang luar biasa: keupayaan litar pintas. Berbanding dengan MOSFET silikon, masa litar pintas bertambah baik dengan ketara, yang sangat penting untuk aplikasi pemacu motor seperti penyongsang. Rajah 12 menunjukkan carta perbandingan keupayaan litar pintas CoolSiC dan CoolMOS. Dapat dilihat daripada rajah tersebut bahawa CoolSiC mencapai ciri-ciri yang sangat baik seperti masa litar pintas yang panjang dan arus litar pintas yang kecil, dan kebolehpercayaannya di bawah keadaan litar pintas bertambah baik dengan ketara.
Rajah 11: Perbandingan prestasi MOSFET silikon karbida dan MOSFET silikon
Rajah 12: Perbandingan keupayaan litar pintas MOSFET silikon karbidaBab 3 memperkenalkan struktur dan ciri-ciri masing-masing bagi transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida. Berikutnya akan membandingkan parameter dan litar sebenar antara kedua-duanya.
Perbandingan MOSFET Galium Nitrida dan Silikon Karbida
Perbandingan parameter elektrik
Jadual 2: Perbandingan parameter utama CoolGaN dan MOSFET silikon karbida CoolSiCDaripada Jadual 2, kita dapat melihat bahawa parameter dinamik transistor galium nitrida adalah lebih rendah daripada MOSFET silikon karbida. Oleh itu, kehilangan pensuisan transistor galium nitrida adalah lebih rendah daripada MOSFET silikon karbida, dan kelebihannya akan lebih jelas pada frekuensi operasi yang tinggi. Apabila arus mengalir ke arah yang bertentangan (sumber ke saliran), penurunan voltan transistor galium nitrida berkaitan dengan voltan pemacu get-ke-sumbernya. Mana yang lebih tinggi dan mana yang lebih rendah perlu dibandingkan mengikut situasi aplikasi. Untuk voltan ambang terakhir Vgs(th), nilai transistor galium nitrida adalah sangat kecil, yang bermaksud perhatian yang besar mesti diberikan kepada reka bentuk pemacu transistor galium nitrida. Jika hingar pada get adalah besar, ia boleh menyebabkan transistor galium nitrida dihidupkan secara tidak sengaja. Pada masa yang sama, CoolGaN ialah mod pemacu jenis arus, yang berbeza daripada pemacu jenis voltan tradisional. Voltan ambang MOSFET silikon karbida jauh lebih tinggi, dan keperluan pemanduannya sangat hampir dengan pemanduan IGBT.
Rajah 13 menunjukkan perbandingan parameter penting yang lain, iaitu kadar perubahan rintangan hidup RDS(hidup) dengan suhu. Telah diketahui umum bahawa rintangan hidup suis semikonduktor kuasa mempunyai pekali suhu positif, iaitu, semakin tinggi suhu simpang, semakin besar rintangan hidup. Dapat dilihat daripada Rajah 13 bahawa pekali kenaikan suhu MOSFET silikon karbida jauh lebih kecil daripada transistor silikon nitrida dan MOSFET silikon. Apabila suhu simpang ialah 100°C, perbezaannya telah mencapai 30% dan 50%. Menurut Rajah 13, dapat dilihat bahawa dengan mengandaikan bahawa rintangan hidup MOSFET silikon karbida dan transistor galium nitrida adalah sama pada suhu simpang 25°C, dalam litar aplikasi yang sama, ini bermakna kehilangan konduksi kedua-duanya (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on)))) adalah sama, tetapi apabila suhu simpang kedua-duanya meningkat kepada 100°C, kehilangan konduksi MOSFET silikon karbida hanya 70% daripada transistor silikon nitrida, yang sangat menarik untuk senario aplikasi dengan keperluan persekitaran yang keras dan kecekapan tinggi pada suhu tinggi.
Rajah 13: Lengkung rintangan atas MOSFET silikon karbida, transistor galium nitrida dan MOSFET silikon sebagai fungsi suhu simpangPerbandingan aplikasi
Jadual 3: Keadaan ujian litar PFCDalam ujian ini, dua peranti rintangan hidup telah diuji untuk setiap suis kuasa. Bagi transistor galium nitrida, RDS(hidup) masing-masing ialah 35 mohm dan 45 mohm, dan MOSFET silikon karbida masing-masing ialah 65 mohm dan 80 mohm. Keputusan ujian ditunjukkan dalam Rajah 14. Oleh kerana kehilangan pensuisan suis kuasa adalah lebih tinggi daripada kehilangan konduksi di bawah keadaan beban ringan, kecekapan transistor galium nitrida adalah jauh lebih tinggi daripada transistor silikon karbida. Apabila beban meningkat secara beransur-ansur, kehilangan konduksi menyumbang kepada perkadaran jumlah kehilangan yang lebih tinggi daripada kehilangan pensuisan. Pada masa yang sama, apabila beban meningkat, kenaikan suhu suis kuasa meningkat. Mengikut kadar perubahan suhu rintangan hidup dengan simpang dalam Rajah 13, dapat dilihat bahawa rintangan hidup transistor silikon karbida meningkat kurang dengan suhu. Oleh itu, perbezaan kecekapan antara kedua-dua suis kuasa pada suhu tinggi adalah sangat kecil, walaupun rintangan aktif transistor silikon karbida pada 25°C adalah lebih tinggi daripada transistor galium nitrida.
Rajah 14: Lengkung kecekapan transistor MOSFET silikon karbida, galium nitrida pada tahap PFCSeterusnya, kami membandingkan kecekapan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida yang dikira pada frekuensi operasi yang berbeza dalam topologi litar bagi separuh jambatan selari dua fasa interleaved LLC untuk kuasa output 3KW. Pengiraan mengabaikan kesan peningkatan kerugian dalam komponen magnet (termasuk induktor resonan dan induktor kuasa utama) yang disebabkan oleh peningkatan frekuensi. Topologi litar ditunjukkan dalam Rajah 15. Model transistor galium nitrida yang dipilih ialah IGOT60R070D1 (RDS(hidup) maksimum pada 25°C ialah 70mohm), dengan jumlah 8 keping. Model MOSFET silikon karbida yang dipilih ialah IMZA65R048M1H (RDS(hidup) maksimum pada 25°C ialah 64mohm), sejumlah 8 keping.
Rajah 15: Gambarajah skematik litar LLC selari berperingkat dua fasaDi bawah beban 50% (1500W) dan persekitaran kerja suhu biasa, perbandingan kecekapan di bawah frekuensi operasi yang berbeza ditunjukkan dalam Rajah 16. Apabila frekuensi operasi rendah (<100khz), kecekapan penggunaan transistor galium nitrida dan MOSFET silikon karbida dengan rintangan hidup yang serupa adalah serupa, dan kedua-duanya boleh mencapai kecekapan yang sangat tinggi (>99.2%). Apabila frekuensi operasi ditingkatkan kepada 300KHz, disebabkan oleh parameter parasitnya yang sangat kecil, galium nitrida mempunyai kadar kerugian pensuisan yang rendah dalam jumlah kerugian, jadi kecekapannya berkurangan sangat sedikit (0.08%), manakala kecekapan MOSFET silikon karbida akan berkurangan sebanyak 0.58% (99.28%-98.7%). Apabila frekuensi operasi meningkat kepada 500KHz, jurang kecekapan antara kedua-duanya menjadi sangat besar (1%). Sudah tentu, jika untuk litar sebenar, memandangkan peningkatan frekuensi akan menyebabkan peningkatan mendadak dalam kehilangan komponen magnet, perbezaan kecekapan antara kedua-duanya tidak akan begitu besar, tetapi trend perubahan kecekapan adalah sama.
Rajah 16: Perbandingan kecekapan dua peranti kuasa pada frekuensi operasi yang berbezaCadangan Aplikasi MOSFET Galium Nitrida dan Silikon Karbida
(1) Atas beberapa sebab, sistem yang digunakan mesti berfungsi pada frekuensi melebihi 200KHz. Transistor galium nitrida adalah pilihan pertama, diikuti oleh MOSFET silikon karbida. Jika frekuensi operasi lebih rendah daripada 200KHz, kedua-duanya boleh digunakan;
(2) Sistem yang digunakan memerlukan kecekapan yang sangat tinggi daripada beban ringan hingga separuh beban. Transistor galium nitrida adalah pilihan pertama, diikuti oleh MOSFET silikon karbida;
(3) Jika sistem yang digunakan mempunyai suhu operasi maksimum yang tinggi, kesukaran dalam menghilangkan haba, atau memerlukan kecekapan yang sangat tinggi pada beban penuh, MOSFET silikon karbida adalah pilihan pertama, diikuti oleh transistor galium nitrida;
(4) Sistem yang digunakan mempunyai gangguan hingar yang besar, terutamanya gangguan pemacu get. MOSFET silikon karbida adalah pilihan pertama, dan transistor galium nitrida adalah pilihan kedua;
(5) Jika sistem yang digunakan memerlukan suis kuasa dengan keupayaan litar pintas yang besar, MOSFET silikon karbida adalah pilihan pertama;
(6) Bagi sistem aplikasi lain tanpa keperluan khas, produk yang hendak dipilih bergantung kepada faktor seperti kaedah pelesapan haba, ketumpatan kuasa dan pengetahuan pereka bentuk dengan kedua-duanya.
Ringkaskan
Apabila industri menjadi lebih biasa dan mempunyai lebih banyak pengalaman aplikasi, penggunaan kedua-duanya akan meningkat mendadak, yang akan menurunkan harga kedua-duanya. Ini seterusnya akan menggalakkan semikonduktor kuasa jurang jalur lebar untuk digunakan pada skala yang lebih besar, membentuk kitaran yang baik. Oleh itu, adalah sangat penting bagi jurutera elektrik untuk menguasai dan menggunakan semikonduktor kuasa jurang jalur lebar seawal mungkin untuk meningkatkan daya saing produk mereka, meningkatkan keterlihatan produk mereka, dan meningkatkan keupayaan mereka sendiri. Saya percaya artikel ini mempunyai rujukan dan kepentingan rujukan yang besar untuk jurutera elektrik untuk membiasakan diri dan menggunakan semikonduktor kuasa jurang jalur lebar.
Penafian: Artikel ini dicetak semula daripada "TechSugar". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi penulis dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk dicetak semula dan dikongsi bagi menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan penulis untuk dicetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.
Nombor telefon syarikat: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
SQ: 3518641314 Pengurus Li
QQ: 332496225 Pengurus Qiu
Alamat: Bilik 809, Bangunan C, Bangunan Teknologi Zhantao, No. 1079 Minzhi Avenue, Daerah Baharu Longhua, Shenzhen




粤公网安备44030002007346号