Service Hotline
galliumnitridetransistors ensilicium carbideMOSFET's zijn de afgelopen twee à drie jaar een opkomende vermogenshalfgeleider. Vergeleken met traditionele siliciumvermogenshalfgeleiders hebben ze veel uitstekende eigenschappen: een hoge doorslagspanning, een lage aanweerstand, kleine parasitaire parameters, enzovoort. Ze hebben ook hun eigen unieke eigenschappen: de extreem kleine parasitaire parameters en de extreem snelle schakelsnelheid van galliumnitridetransistoren maken ze bijzonder geschikt voor hoogfrequente toepassingen. De eenvoudige aansturing en hoge betrouwbaarheid van siliciumcarbide-MOSFET's maken ze geschikt voor hoogwaardige schakelende voedingen.
Dit artikel is gebaseerd op de galliumnitride-transistor en de siliciumcarbide-MOSFET-producten van Infineon en biedt een gedetailleerde introductie tot hun structuur, kenmerken en toepassingsverschillen.
Als de weergaloze tweeling van de derde generatie vermogenshalfgeleiders trekken galliumnitridetransistoren en siliciumcarbide-MOSFET's steeds meer de aandacht van de industrie, met name van elektrotechnici. De reden waarom elektrotechnici zoveel aandacht besteden aan deze twee vermogenshalfgeleiders is dat hun materialen veel voordelen bieden ten opzichte van traditionele siliciummaterialen, zoals weergegeven in Figuur 1. De grotere bandgapbreedte en hogere kritische veldsterkte van galliumnitride en siliciumcarbide zorgen ervoor dat vermogenshalfgeleiders op basis van deze twee materialen uitstekende eigenschappen hebben, zoals een hoge doorslagspanning, een lage aanweerstand en kleine parasitaire parameters. Bij gebruik in schakelende voedingen bieden ze voordelen zoals lage verliezen, een hoge werkfrequentie en een hoge betrouwbaarheid, wat de efficiëntie, vermogensdichtheid en betrouwbaarheid van schakelende voedingen aanzienlijk kan verbeteren.
Figuur 1: Vergelijking van de belangrijkste eigenschappen van silicium, siliciumcarbide en galliumnitrideDoor de bovengenoemde uitstekende eigenschappen worden galliumnitridetransistoren en siliciumcarbide-MOSFET's steeds vaker in industriële toepassingen gebruikt en zullen ze op grotere schaal worden ingezet. Figuur 2 toont de toepassingsgebieden en verkoopprognoses van deze twee vermogenshalfgeleiders, zoals verstrekt door IHS Markit. Naarmate de toepassingsgebieden zich uitbreiden, zal de verkoop van galliumnitridetransistoren en siliciumcarbide-MOSFET's ook aanzienlijk toenemen. Figuur 3 toont de verkoopprognose voor deze twee vermogenshalfgeleiders, eveneens verstrekt door IHS Markit.
Figuur 2: Toepassingsgebieden en verkoopprognose van galliumnitride-transistoren en siliciumcarbide-MOSFET's
Figuur 3: Verkoopverwachting van galliumnitride-transistoren en siliciumcarbide-MOSFET'sIn hoofdstuk 2 van dit artikel worden de structuur en eigenschappen van galliumnitridetransistoren in detail beschreven. Hoofdstuk 3 behandelt de structuur en eigenschappen van siliciumcarbide-MOSFET's. In hoofdstuk 4 wordt een vergelijkende analyse uitgevoerd van het gebruik van deze twee vermogenshalfgeleiders in hetzelfde circuit om de overeenkomsten en verschillen in hun toepassingen duidelijker te illustreren. Tot slot wordt de volledige tekst samengevat.
Structuur en kenmerken van galliumnitride-transistoren
Structuur van een galliumnitride-transistor
Figuur 4: Schematisch diagram van het geleidingsprincipe van galliumnitrideDe structuur van de basis galliumnitride-transistor, weergegeven in figuur 4, is een HEMT (High Electron Mobility Transistor) in de depletiemodus. Dit betekent dat wanneer er geen spanning tussen de gate en de source wordt aangelegd (VGS=0V), de drain van de galliumnitride-transistor en de component geleidend zijn, oftewel het is een normaal-aan-apparaat. Dit is totaal anders dan traditionele normaal gesloten MOSFET- of IGBT-vermogensschakelaars, die zeer moeilijk te gebruiken zijn voor industriële toepassingen, met name in schakelende voedingen. Om dit probleem op te lossen, heeft de industrie doorgaans twee oplossingen. De ene is het gebruik van een cascadestructuur, en de andere is het toevoegen van P-type galliumnitride aan de gate om een transistor in de versterkingsmodus (normaal gesloten) te vormen. De structuren van beide zijn weergegeven in figuur 5.
Figuur 5: Twee structuren van galliumnitride-transistorenHet galliumnitride in de cascadestructuur is een depletie-type galliumnitride in cascade met een laagspannings-silicium-MOSFET. Het voordeel van deze structuur is dat de aansturing exact hetzelfde is als die van een traditionele silicium-MOSFET (omdat het een silicium-MOSFET aanstuurt). Deze structuur heeft echter ook grote nadelen. Ten eerste heeft de silicium-MOSFET een interne diode. Wanneer galliumnitride stroom in de omgekeerde richting geleidt, treedt er een probleem op met de omgekeerde herstelstroom van de interne diode. Ten tweede is de drain van de silicium-MOSFET verbonden met de source van het depletie-type galliumnitride. Tijdens het in- en uitschakelen van de silicium-MOSFET is de oscillatie tussen de drain en de source gelijk aan de oscillatie tussen de source en de gate van het galliumnitride. Omdat deze oscillatie onvermijdelijk is, bestaat de mogelijkheid dat de galliumnitride-transistor per ongeluk in- en uitgeschakeld wordt. Omdat twee vermogenscomponenten in cascade zijn geschakeld, is de mogelijkheid om de aanweerstand van het gehele galliumnitride-apparaat verder te verlagen beperkt.
Vanwege de bovengenoemde problemen in de cascadestructuur is de gangbare technologie voor galliumnitridetransistoren in de vermogenshalfgeleiderindustrie de enhancement-mode galliumnitridetransistor. De gedetailleerde structuur van de CoolGaN-galliumnitridetransistor van Infineon Technologies Co., Ltd. is bijvoorbeeld weergegeven in figuur 6.
Figuur 6: Schematisch diagram van de CoolGaN-structuurZoals weergegeven in Figuur 6, hebben de huidige galliumnitride-transistoren in de industrie een planaire structuur, dat wil zeggen dat de source, gate en drain zich in hetzelfde vlak bevinden. Dit verschilt van de verticale structuur van silicium-MOSFET's, zoals die worden vertegenwoordigd door Super Junction-technologie. De p-GaN-structuur onder de gate vormt de eerder beschreven galliumnitride-transistor in de enhancement-modus. Een andere p-GaN-structuur naast de drain dient om het probleem van stroominstorting op te lossen dat vaak voorkomt bij galliumnitride-transistoren. Het substraat van de CoolGaN-producten van Infineon Technologies Co., Ltd. is gemaakt van silicium, wat de materiaalkosten van galliumnitride-transistoren aanzienlijk verlaagt. Omdat de thermische uitzettingscoëfficiënten van silicium en galliumnitride sterk verschillen, worden er meerdere overgangslagen tussen het substraat en GaN toegevoegd om ervoor te zorgen dat de galliumnitride-transistor geen problemen ondervindt zoals delaminatie van de wafer onder zware bedrijfsomstandigheden, zoals temperatuurschommelingen en temperatuurwisselingen.
Kenmerken van galliumnitride-transistoren
Tabel 1: Kenmerken van CoolGaN en de voordelen ervanUit de kenmerken in Tabel 1 blijkt dat galliumnitridetransistoren geen interne diode hebben, maar wel een omgekeerde stroom kunnen geleiden. Daardoor zijn ze zeer geschikt voor schakelingen die een omgekeerde stroomdoorgang van de vermogensschakelaar vereisen en een harde commutatie nodig hebben, zoals de totempaal-brugloze PFC in continue stroommodus (CCM). Hiermee kunnen extreem hoge betrouwbaarheid en efficiëntie worden bereikt. Het schakelschema is weergegeven in Figuur 7. In de figuur zijn Q1 en Q2 galliumnitridetransistoren en Q3 en Q4 silicium-MOSFET's.
Figuur 7: Schematisch diagram van de totempaal-PFC-topologie met galliumnitride-transistoren.Uit tabel 1 kunnen we ook afleiden dat galliumnitride een extreem snelle schakelsnelheid en een laag aansturingsverlies heeft, waardoor het zeer geschikt is voor hoogfrequente toepassingen. Hoogfrequente schakelende voedingen met galliumnitridetransistoren hebben als voordelen een hoge vermogensdichtheid en een hoog rendement. Figuur 8 toont een 3.6 kW DC-DC-omvormer met LLC-topologie. De resonantiefrequentie van de LLC is 350 kHz. De vermogensdichtheid van de omvormer bereikt 160 W/in³ en het maximale rendement is hoger dan 98%.
Figuur 8: 3.6 kW LLC-conversiecircuit met CoolGaNUit bovenstaande analyse blijkt dat galliumnitride-transistoren geschikt zijn voor toepassingen die een hoog rendement, een hoge frequentie en een hoge vermogensdichtheid vereisen.
Structuur van een siliciumcarbide-MOSFET en de bijbehorende eigenschappen.
Structuur van een siliciumcarbide-MOSFET
Figuur 9: Schematisch structuurdiagram van een planaire siliciumcarbide MOSFET
Figuur 10: CoolSiC-sleufpoortstructuurKenmerken van een siliciumcarbide MOSFET
Siliciumcarbide-MOSFET's hebben ook een uitstekende eigenschap: kortsluitvastheid. In vergelijking met silicium-MOSFET's is de kortsluittijd aanzienlijk verbeterd, wat zeer belangrijk is voor motoraansturingstoepassingen zoals omvormers. Figuur 12 toont een vergelijkingsgrafiek van de kortsluitvastheid van CoolSiC en CoolMOS. Uit de figuur blijkt dat CoolSiC uitstekende eigenschappen heeft, zoals een lange kortsluittijd en een lage kortsluitstroom, en dat de betrouwbaarheid onder kortsluitomstandigheden aanzienlijk is verbeterd.
Figuur 11: Prestatievergelijking van siliciumcarbide-MOSFET en silicium-MOSFET
Figuur 12: Vergelijking van de kortsluitvastheid van siliciumcarbide-MOSFET'sHoofdstuk 3 introduceert de respectievelijke structuren en kenmerken van galliumnitride-transistoren en siliciumcarbide-MOSFET's. Hieronder worden de parameters en daadwerkelijke schakelingen van beide vergeleken.
Vergelijking van galliumnitride- en siliciumcarbide-MOSFET's
Vergelijking van elektrische parameters
Tabel 2: Vergelijking van de belangrijkste parameters van CoolGaN en siliciumcarbide MOSFET CoolSiCUit tabel 2 blijkt dat de dynamische parameters van galliumnitridetransistoren lager zijn dan die van siliciumcarbide-MOSFET's. Daardoor zijn de schakelverliezen van galliumnitridetransistoren lager dan die van siliciumcarbide-MOSFET's, en hun voordelen worden duidelijker bij hogere werkfrequenties. Wanneer de stroom in de tegenovergestelde richting vloeit (van source naar drain), is de spanningsval van de galliumnitridetransistor gerelateerd aan de gate-source-stuurspanning. Welke van beide hoger of lager is, moet worden vergeleken op basis van de toepassing. De laatste drempelspanning Vgs(th) van de galliumnitridetransistor is erg klein, wat betekent dat er veel aandacht moet worden besteed aan het ontwerp van de aansturing van de galliumnitridetransistor. Als de ruis op de gate groot is, kan dit ertoe leiden dat de galliumnitridetransistor per ongeluk wordt ingeschakeld. Tegelijkertijd maakt CoolGaN gebruik van een stroomgestuurde aansturing, wat verschilt van de traditionele spanningsgestuurde aansturing. De drempelspanning van een siliciumcarbide-MOSFET is veel hoger en de aansturingseisen liggen zeer dicht bij die van een IGBT.
Figuur 13 toont een vergelijking van een andere belangrijke parameter, namelijk de veranderingssnelheid van de aanweerstand RDS(on) met de temperatuur. Het is bekend dat de aanweerstand van vermogenshalfgeleiderschakelaars een positieve temperatuurcoëfficiënt heeft, dat wil zeggen dat hoe hoger de junctietemperatuur, hoe groter de aanweerstand. Uit figuur 13 blijkt dat de temperatuurstijgingscoëfficiënt van een siliciumcarbide-MOSFET veel kleiner is dan die van een siliciumnitride-transistor en een silicium-MOSFET. Bij een junctietemperatuur van 100 °C bedraagt het verschil respectievelijk 30% en 50%. Volgens figuur 13 is te zien dat, ervan uitgaande dat de aanweerstand van een siliciumcarbide-MOSFET en een galliumnitride-transistor gelijk is bij een junctietemperatuur van 25 °C in hetzelfde toepassingscircuit, het geleidingsverlies van beide (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) gelijk is. Echter, wanneer de junctietemperatuur van beide stijgt tot 100 °C, bedraagt het geleidingsverlies van de siliciumcarbide-MOSFET slechts 70% van dat van de siliciumnitride-transistor. Dit is zeer aantrekkelijk voor toepassingsscenario's met strenge omgevingseisen en een hoog rendement bij hoge temperaturen.
Figuur 13: Aan-weerstandscurven van een siliciumcarbide-MOSFET, een galliumnitride-transistor en een silicium-MOSFET als functie van de junctietemperatuur.Toepassingsvergelijking
Tabel 3: Testomstandigheden voor het PFC-circuitIn de test werden voor elke vermogensschakelaar twee apparaten met een hoge aan-weerstand getest. Voor de galliumnitride-transistor bedroeg de RDS(on) respectievelijk 35 mΩ en 45 mΩ, en voor de siliciumcarbide-MOSFET respectievelijk 65 mΩ en 80 mΩ. De testresultaten zijn weergegeven in figuur 14. Omdat het schakelverlies van de vermogensschakelaar hoger is dan het geleidingsverlies onder lichte belasting, is het rendement van galliumnitride-transistoren aanzienlijk hoger dan dat van siliciumcarbide-transistoren. Naarmate de belasting geleidelijk toeneemt, is het geleidingsverlies verantwoordelijker voor het totale verlies dan het schakelverlies. Tegelijkertijd neemt de temperatuur van de vermogensschakelaar toe naarmate de belasting toeneemt. Uit de veranderingssnelheid van de aan-weerstand met de junctietemperatuur in figuur 13 blijkt dat de aan-weerstand van de siliciumcarbide-transistor minder sterk toeneemt met de temperatuur. Daarom is het verschil in efficiëntie tussen de twee vermogensschakelaars bij hoge temperaturen erg klein, hoewel de aanweerstand van de siliciumcarbide-transistor bij 25 °C hoger is dan die van de galliumnitride-transistor.
Figuur 14: Efficiëntiecurve van een siliciumcarbide-MOSFET en een galliumnitride-transistor op PFC-niveau.Vervolgens vergelijken we de berekende rendementen van galliumnitridetransistoren en siliciumcarbide-MOSFET's bij verschillende werkfrequenties in een circuitconfiguratie van een tweefasige, parallelle halfbrug-LLC met interleaved-schakeling voor een uitgangsvermogen van 3 kW. De berekening negeert de impact van toegenomen verliezen in magnetische componenten (inclusief resonantiespoelen en hoofdvoedingsspoelen) als gevolg van frequentieverhogingen. De circuitconfiguratie is weergegeven in figuur 15. Het gekozen model galliumnitridetransistor is IGOT60R070D1 (de maximale RDS(on) bij 25 °C is 70 mΩ), met in totaal 8 stuks. Het gekozen model siliciumcarbide-MOSFET is IMZA65R048M1H (de maximale RDS(on) bij 25 °C is 64 mΩ), eveneens met in totaal 8 stuks.
Figuur 15: Schematisch diagram van een tweefasig, verspringend parallel LLC-circuit.Bij een belasting van 50% (1500 W) en een normale bedrijfstemperatuur wordt in figuur 16 de efficiëntievergelijking bij verschillende werkfrequenties weergegeven. Bij een lage werkfrequentie (<100 kHz) is de efficiëntie van galliumnitridetransistoren en siliciumcarbide-MOSFET's met een vergelijkbare aanweerstand vergelijkbaar, en beide kunnen een zeer hoge efficiëntie bereiken (>99.2%). Wanneer de werkfrequentie wordt verhoogd tot 300 kHz, heeft galliumnitride, vanwege de zeer kleine parasitaire parameters, een laag aandeel schakelverliezen in de totale verliezen, waardoor de efficiëntie slechts weinig afneemt (0.08%), terwijl de efficiëntie van siliciumcarbide-MOSFET's met 0.58% afneemt (99.28%-98.7%). Bij een werkfrequentie van 500 kHz wordt het efficiëntieverschil tussen de twee zeer groot (1%). Natuurlijk, als we voor een daadwerkelijk circuit rekening houden met het feit dat een hogere frequentie een sterke toename van het verlies in de magnetische componenten veroorzaakt, zal het verschil in efficiëntie tussen de twee niet zo groot zijn, maar de trend van de efficiëntieverandering is hetzelfde.
Figuur 16: Vergelijking van het rendement van twee vermogensapparaten bij verschillende werkfrequentiesToepassingsaanbevelingen voor galliumnitride- en siliciumcarbide-MOSFET's
(1) Om bepaalde redenen moet het toegepaste systeem werken op een frequentie van meer dan 200 kHz. Galliumnitridetransistoren hebben de voorkeur, gevolgd door siliciumcarbide-MOSFET's. Als de werkfrequentie lager is dan 200 kHz, kunnen beide worden gebruikt;
(2) Het toegepaste systeem vereist een extreem hoog rendement van lichte belasting tot halve belasting. Galliumnitridetransistoren zijn de eerste keuze, gevolgd door siliciumcarbide-MOSFET's;
(3) Indien het toegepaste systeem een hoge maximale bedrijfstemperatuur heeft, moeite heeft met het afvoeren van warmte of een extreem hoog rendement bij volledige belasting vereist, zijn siliciumcarbide-MOSFET's de eerste keuze, gevolgd door galliumnitride-transistoren;
(4) Het toegepaste systeem heeft grote ruisinterferentie, met name poortaansturingsinterferentie. Siliciumcarbide-MOSFET's zijn de eerste keuze, en galliumnitride-transistoren de tweede keuze;
(5) Indien het toegepaste systeem een vermogensschakelaar met een groot kortsluitvermogen vereist, is een siliciumcarbide-MOSFET de eerste keuze;
(6) Voor andere toepassingssystemen zonder speciale vereisten hangt de keuze voor een bepaald product af van factoren zoals de warmteafvoermethode, de vermogensdichtheid en de bekendheid van de ontwerper met beide.
Samenvatten
Naarmate de industrie meer vertrouwd raakt met en meer toepassingservaring opdoet, zal het gebruik van beide sterk toenemen, wat de prijzen van beide zal drukken. Dit zal op zijn beurt het gebruik van breedband halfgeleiders voor vermogenselektronica bevorderen, waardoor een positieve spiraal ontstaat. Daarom is het voor elektrotechnici van groot belang om breedband halfgeleiders voor vermogenselektronica zo vroeg mogelijk te beheersen en te gebruiken om de concurrentiepositie van hun producten te verbeteren, de zichtbaarheid van hun producten te vergroten en hun eigen vaardigheden te ontwikkelen. Ik ben ervan overtuigd dat dit artikel een waardevolle bron van informatie is voor elektrotechnici die zich willen verdiepen in en gebruik willen maken van breedband halfgeleiders voor vermogenselektronica.
Disclaimer: Dit artikel is overgenomen van "TechSugar". Dit artikel geeft uitsluitend de persoonlijke mening van de auteur weer en vertegenwoordigt niet de standpunten van Sacco Micro en de sector. Het is uitsluitend bedoeld voor herpublicatie en verspreiding ter ondersteuning van de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk op het auteursrecht contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.
Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li
Vraag: 332496225 Manager Qiu
Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen




粤公网安备44030002007346号