Service Hotline
azotek galutranzystory iwęglik krzemuTranzystory MOSFET to rozwijający się półprzewodnik mocy w ciągu ostatnich dwóch lub trzech lat. W porównaniu z tradycyjnymi krzemowymi półprzewodnikami mocy, charakteryzują się one wieloma doskonałymi właściwościami: wysokim napięciem wytrzymywanym, niską rezystancją przewodzenia, niskimi parametrami pasożytniczymi itp. Mają również swoje unikalne cechy: wyjątkowo niskie parametry pasożytnicze i ekstremalnie szybkie przełączanie tranzystorów azotku galu sprawiają, że są one szczególnie odpowiednie do zastosowań wysokoczęstotliwościowych. Łatwość sterowania i wysoka niezawodność tranzystorów MOSFET z węglika krzemu sprawiają, że nadają się one do wysokowydajnych zasilaczy impulsowych.
W tym artykule omówiono tranzystory Infineon wykonane z azotku galu oraz tranzystory MOSFET z węglika krzemu. Przedstawiono w nim szczegółowe informacje na temat ich struktur, właściwości oraz różnic w zastosowaniach.
Jako niezrównani bliźniacy trzeciej generacji półprzewodników mocy, tranzystory z azotku galu i tranzystory MOSFET z węglika krzemu, coraz bardziej przyciągają uwagę przemysłu, zwłaszcza inżynierów elektryków. Powodem, dla którego inżynierowie elektrycy poświęcają tak wiele uwagi tym dwóm półprzewodnikom mocy, jest fakt, że ich materiały mają wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi materiałami krzemowymi, co pokazano na rysunku 1. Większa szerokość przerwy energetycznej i wyższe krytyczne natężenie pola elektrycznego azotku galu i węglika krzemu sprawiają, że półprzewodniki mocy oparte na tych dwóch materiałach charakteryzują się doskonałymi właściwościami, takimi jak wysokie napięcie wytrzymywane, niska rezystancja przewodzenia i niskie parametry pasożytnicze. Zastosowane w zasilaczach impulsowych, charakteryzują się niskimi stratami, wysoką częstotliwością pracy i wysoką niezawodnością, co może znacznie poprawić sprawność, gęstość mocy i niezawodność zasilaczy impulsowych.
Rysunek 1: Porównanie kluczowych właściwości krzemu, węglika krzemu i azotku galuZe względu na powyższe doskonałe właściwości, tranzystory z azotku galu i tranzystory MOSFET z węglika krzemu są coraz częściej stosowane w przemyśle i będą stosowane na większą skalę. Rysunek 2 przedstawia obszary zastosowań i prognozy sprzedaży tych dwóch półprzewodników mocy podane przez IHS Markit. Wraz z rozwojem obszarów zastosowań, sprzedaż tranzystorów z azotku galu i tranzystorów MOSFET z węglika krzemu również znacząco wzrośnie. Rysunek 3 przedstawia prognozę sprzedaży tych dwóch półprzewodników mocy podaną przez IHS Markit.
Rysunek 2: Obszary zastosowań i prognozy sprzedaży tranzystorów z azotku galu i tranzystorów MOSFET z węglika krzemu
Rysunek 3: Prognoza sprzedaży tranzystorów z azotku galu i tranzystorów MOSFET z węglika krzemuW rozdziale 2 tego artykułu szczegółowo omówiona zostanie struktura i charakterystyka tranzystorów z azotku galu. Rozdział 3 szczegółowo przedstawi strukturę i charakterystykę tranzystora MOSFET z węglika krzemu. W rozdziale 4 przeprowadzona zostanie analiza porównawcza zastosowania tych dwóch półprzewodników mocy w tym samym obwodzie, aby lepiej wyjaśnić podobieństwa i różnice w ich zastosowaniach. Na koniec zostanie podsumowany pełny tekst.
Struktura i charakterystyka tranzystora z azotku galu
Struktura tranzystora z azotku galu
Rysunek 4: Schematyczny diagram zasady przewodnictwa azotku galuStruktura podstawowego tranzystora azotku galu pokazana na rysunku 4 to tranzystor zubożony o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT), co oznacza, że gdy między bramką a źródłem nie jest przyłożone napięcie (VGS = 0 V), dren tranzystora azotku galu i komponent przewodzą, czyli jest to układ normalnie włączony. Jest to całkowicie odmienne od tradycyjnych normalnie zamkniętych przełączników mocy MOSFET lub IGBT, które są bardzo trudne w użyciu w zastosowaniach przemysłowych, zwłaszcza w dziedzinie zasilaczy impulsowych. Aby poradzić sobie z tym problemem, przemysł zazwyczaj stosuje dwa rozwiązania. Jedno z nich polega na zastosowaniu struktury kaskodowej, a drugie na dodaniu azotku galu typu P do bramki, tworząc tranzystor z trybem wzbogaconym (normalnie zamknięty). Struktury tych dwóch rozwiązań przedstawiono na rysunku 5.
Rysunek 5: Dwie struktury tranzystorów z azotku galuAzotek galu w strukturze kaskadowej to azotek galu typu zubożonego połączony kaskadowo z niskonapięciowym krzemowym tranzystorem MOSFET. Zaletą tej struktury jest to, że jej sterowanie jest dokładnie takie samo, jak w przypadku tradycyjnego krzemowego tranzystora MOSFET (ponieważ steruje krzemowym tranzystorem MOSFET). Jednak ta struktura ma również poważne wady. Po pierwsze, krzemowy tranzystor MOSFET ma diodę podłożową. Gdy azotek galu przewodzi prąd w kierunku zaporowym, występuje problem z odwrotnym odzyskiem diody podłożowej. Po drugie, dren krzemowego tranzystora MOSFET jest połączony ze źródłem azotku galu w trybie zubożonym. Podczas włączania i wyłączania krzemowego tranzystora MOSFET oscylacje między drenem a źródłem są oscylacjami między źródłem a bramką azotku galu. Ponieważ te oscylacje są nieuniknione, istnieje możliwość, że tranzystor azotku galu może zostać omyłkowo włączony i wyłączony. Wreszcie, ponieważ dwa urządzenia zasilające są połączone kaskadowo, możliwość dalszego zmniejszenia rezystancji w stanie włączenia całego urządzenia wykonanego z azotku galu jest ograniczona.
Ze względu na powyższe problemy w strukturze kaskadowej, główną technologią tranzystorów azotku galu w przemyśle półprzewodników mocy są tranzystory azotku galu z trybem wzbogaconym. Na przykładzie tranzystora azotku galu CoolGaN firmy Infineon Technologies Co., Ltd., jego szczegółowa struktura jest przedstawiona na rysunku 6.
Rysunek 6: Schematyczny diagram struktury CoolGaNJak pokazano na rysunku 6, obecne produkty tranzystorowe z azotku galu w przemyśle mają strukturę planarną, co oznacza, że źródło, bramka i dren znajdują się w tej samej płaszczyźnie, co różni się od pionowej struktury krzemowego MOSFET-u reprezentowanej przez technologię Super Junction. Struktura P-GaN poniżej bramki tworzy tranzystor azotku galu z trybem wzbogaconym opisany wcześniej. Inna struktura p-GaN obok drenu ma rozwiązać problem zapadania się prądu, który często występuje w tranzystorach z azotku galu. Podłoże produktów CoolGaN firmy Infineon Technologies Co., Ltd. wykorzystuje materiał krzemowy, co może znacznie obniżyć koszt materiałów tranzystorów z azotku galu. Ponieważ współczynniki rozszerzalności cieplnej materiałów krzemowych i azotku galu są bardzo różne, między podłożem a GaN dodaje się wiele warstw przejściowych, aby zapewnić, że tranzystor z azotku galu nie będzie doświadczał problemów z awariami, takich jak rozwarstwianie się płytek w trudnych warunkach pracy, takich jak cykle wysokich i niskich temperatur oraz szoki temperaturowe.
Charakterystyka tranzystorów z azotku galu
Tabela 1: Charakterystyka CoolGaN i jego zaletyZ charakterystyk przedstawionych w tabeli 1 wynika, że tranzystory azotku galu nie posiadają diody podłożowej, ale nadal mogą przewodzić prąd wsteczny, dzięki czemu doskonale nadają się do obwodów wymagających przepływu prądu wstecznego przez przełącznik zasilania i komutacji twardej, takich jak bezmostkowy układ PFC typu totem pole w trybie ciągłego przepływu prądu (CCM), który może osiągnąć wyjątkowo wysoką niezawodność i wydajność. Schemat topologii obwodu przedstawiono na rysunku 7. Na rysunku Q1 i Q2 to tranzystory azotku galu, a Q3 i Q4 to krzemowe tranzystory MOSFET.
Rysunek 7: Schematyczny diagram topologii totemowego układu PFC wykorzystującego tranzystory azotku galuZ tabeli 1 wynika również, że azotek galu charakteryzuje się wyjątkowo dużą szybkością przełączania i niewielkimi stratami mocy, dzięki czemu doskonale nadaje się do zastosowań o wysokiej częstotliwości. Zasilacze impulsowe wysokiej częstotliwości wykorzystujące tranzystory z azotku galu charakteryzują się wysoką gęstością mocy i wysoką sprawnością. Rysunek 8 przedstawia przetwornicę DC-DC o topologii LLC o mocy 3.6 kW. Częstotliwość rezonansowa LLC wynosi 350 kHz. Gęstość mocy przetwornicy sięga 160 W/cal³, a maksymalna sprawność przekracza 98%.
Rysunek 8: Układ konwersji LLC o mocy 3.6 kW wykorzystujący CoolGaNZ powyższej analizy wynika, że tranzystory azotku galu nadają się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, wysokiej częstotliwości i dużej gęstości mocy.
Struktura MOSFET-u z węglika krzemu i jej właściwości
Struktura MOSFET-u z węglika krzemu
Rysunek 9: Schematyczny diagram strukturalny płaskiego tranzystora MOSFET z węglika krzemu
Rysunek 10: Struktura bramy rowkowej CoolSiCCharakterystyka MOSFET-u z węglika krzemu
Tranzystory MOSFET z węglika krzemu charakteryzują się również wyjątkową odpornością na zwarcia. W porównaniu z krzemowymi tranzystorami MOSFET, czas zwarcia jest znacznie krótszy, co jest niezwykle istotne w zastosowaniach napędowych, takich jak falowniki. Rysunek 12 przedstawia wykres porównawczy odporności na zwarcia tranzystorów CoolSiC i CoolMOS. Z rysunku wynika, że CoolSiC charakteryzuje się doskonałymi parametrami, takimi jak długi czas zwarcia i niski prąd zwarcia, a jego niezawodność w warunkach zwarcia jest znacznie zwiększona.
Rysunek 11: Porównanie wydajności tranzystora MOSFET z węglika krzemu i tranzystora MOSFET z krzemu
Rysunek 12: Porównanie możliwości zwarciowych tranzystorów MOSFET z węglika krzemuRozdział 3 przedstawia strukturę i charakterystykę tranzystorów z azotku galu oraz tranzystorów MOSFET z węglika krzemu. Poniżej porównano parametry i rzeczywiste obwody obu tych układów.
Porównanie MOSFET-ów z azotku galu i węglika krzemu
Porównanie parametrów elektrycznych
Tabela 2: Porównanie kluczowych parametrów tranzystora MOSFET CoolGaN i węglika krzemu CoolSiCZ tabeli 2 wynika, że parametry dynamiczne tranzystorów azotku galu są niższe niż tranzystorów MOSFET z węglika krzemu. W związku z tym straty przełączania tranzystorów azotku galu są niższe niż tranzystorów MOSFET z węglika krzemu, a ich zalety będą bardziej widoczne przy wysokich częstotliwościach pracy. Gdy prąd płynie w przeciwnym kierunku (od źródła do drenu), spadek napięcia na tranzystorze azotku galu jest związany z napięciem sterującym bramka-źródło. Które z nich jest wyższe, a które niższe, należy porównać w zależności od sytuacji zastosowania. Dla ostatniego napięcia progowego Vgs(th) wartość tranzystora azotku galu jest bardzo mała, co oznacza, że należy zwrócić szczególną uwagę na konstrukcję sterowania tranzystora azotku galu. Jeśli szum na bramce jest duży, może to spowodować przypadkowe włączenie tranzystora azotku galu. Jednocześnie CoolGaN jest sterowaniem prądowym, które różni się od tradycyjnego sterowania napięciowego. Napięcie progowe tranzystora MOSFET z węglika krzemu jest znacznie wyższe, a wymagania dotyczące sterowania nim są bardzo zbliżone do wymagań sterowania tranzystorem IGBT.
Rysunek 13 przedstawia porównanie kolejnego ważnego parametru, czyli szybkości zmiany rezystancji w stanie przewodzenia RDS(on) w funkcji temperatury. Powszechnie wiadomo, że rezystancja w stanie przewodzenia przełączników półprzewodnikowych mocy ma dodatni współczynnik temperaturowy, co oznacza, że im wyższa temperatura złącza, tym większa rezystancja w stanie przewodzenia. Z rysunku 13 wynika, że współczynnik wzrostu temperatury tranzystora MOSFET z węglika krzemu jest znacznie mniejszy niż tranzystora z azotku krzemu i tranzystora MOSFET z krzemu. Dla temperatury złącza 100°C różnica sięga odpowiednio 30% i 50%. Zgodnie z rysunkiem 13 można zobaczyć, że zakładając, że rezystancja przewodzenia tranzystora MOSFET z węglika krzemu i tranzystora z azotku galu jest taka sama przy temperaturze złącza 25°C, w tym samym obwodzie aplikacyjnym, oznacza to stratę przewodzenia obu (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) Jest taka sama, ale gdy temperatura złącza obu wzrośnie do 100°C, strata przewodzenia tranzystora MOSFET z węglika krzemu wynosi tylko 70% strat przewodzenia tranzystora z azotku krzemu, co jest bardzo atrakcyjne w przypadku scenariuszy zastosowań o trudnych wymaganiach środowiskowych i wysokiej wydajności w wysokich temperaturach.
Rysunek 13: Krzywe rezystancji w stanie przewodzenia tranzystora MOSFET z węglika krzemu, tranzystora z azotku galu i tranzystora MOSFET z krzemu w funkcji temperatury złączaPorównanie aplikacji
Tabela 3: Warunki testowania obwodu PFCW teście przetestowano dwa elementy o rezystancji przewodzenia dla każdego przełącznika zasilania. Dla tranzystora azotku galu, RDS(on) wynosił odpowiednio 35mΩ i 45mΩ, a dla tranzystora MOSFET z węglika krzemu odpowiednio 65mΩ i 80mΩ. Wyniki testu przedstawiono na rysunku 14. Ponieważ strata przełączania przełącznika zasilania jest wyższa niż strata przewodzenia przy małym obciążeniu, sprawność tranzystorów azotku galu jest znacznie wyższa niż tranzystorów z węglika krzemu. Gdy obciążenie stopniowo wzrasta, strata przewodzenia stanowi większą część strat całkowitych niż strata przełączania. Jednocześnie, wraz ze wzrostem obciążenia, wzrasta wzrost temperatury przełącznika zasilania. Zgodnie ze szybkością zmiany rezystancji przewodzenia wraz z temperaturą złącza na rysunku 13, można zauważyć, że rezystancja przewodzenia tranzystora z węglika krzemu wzrasta mniej wraz ze wzrostem temperatury. W związku z tym różnica w sprawności obu przełączników mocy w wysokich temperaturach jest niewielka, mimo że rezystancja w stanie przewodzenia tranzystora z węglika krzemu w temperaturze 25°C jest wyższa niż rezystancja tranzystora z azotku galu.
Rysunek 14: Krzywa sprawności tranzystora MOSFET z węglika krzemu i azotku galu na poziomie PFCNastępnie porównujemy obliczone sprawności tranzystorów azotku galu i tranzystorów MOSFET z węglika krzemu przy różnych częstotliwościach pracy w topologii obwodu dwufazowego, przeplatanego, równoległego półmostka LLC o mocy wyjściowej 3 kW. Obliczenia pomijają wpływ zwiększonych strat w elementach magnetycznych (w tym cewkach rezonansowych i głównych cewkach mocy) spowodowanych wzrostem częstotliwości. Topologia obwodu jest przedstawiona na rysunku 15. Wybrano model tranzystora azotku galu IGOT60R070D1 (maksymalny RDS(on) w temperaturze 25°C wynosi 70 mΩ), w sumie 8 sztuk. Wybrano model tranzystora MOSFET z węglika krzemu IMZA65R048M1H (maksymalny RDS(on) w temperaturze 25°C wynosi 64 mΩ), w sumie 8 sztuk.
Rysunek 15: Schematyczny diagram dwufazowego układu równoległego LLCPrzy obciążeniu 50% (1500 W) i normalnej temperaturze pracy, porównanie sprawności przy różnych częstotliwościach roboczych pokazano na rysunku 16. Gdy częstotliwość robocza jest niska (<100 kHz), sprawność tranzystorów azotku galu i MOSFETów z węglika krzemu o podobnej rezystancji przewodzenia jest podobna i oba mogą osiągnąć bardzo wysoką sprawność (>99.2%). Gdy częstotliwość robocza zostanie zwiększona do 300 kHz, ze względu na bardzo małe parametry pasożytnicze, azotek galu ma niski udział strat przełączania w stratach całkowitych, więc jego sprawność spada bardzo nieznacznie (0.08%), podczas gdy sprawność tranzystorów MOSFET z węglika krzemu spadnie o 0.58% (99.28%-98.7%). Gdy częstotliwość robocza wzrośnie do 500 kHz, różnica sprawności między nimi staje się bardzo duża (1%). Oczywiście, jeśli w rzeczywistym obwodzie założymy, że wzrost częstotliwości spowoduje gwałtowny wzrost strat elementów magnetycznych, różnica w sprawności między nimi nie będzie aż tak duża, ale tendencja zmiany sprawności będzie taka sama.
Rysunek 16: Porównanie sprawności dwóch urządzeń energetycznych o różnych częstotliwościach pracyZalecenia dotyczące zastosowań MOSFET-ów z azotku galu i węglika krzemu
(1) Z pewnych powodów zastosowany system musi pracować z częstotliwością przekraczającą 200 kHz. Pierwszym wyborem są tranzystory azotku galu, a następnie tranzystory MOSFET z węglika krzemu. Jeśli częstotliwość pracy jest niższa niż 200 kHz, można zastosować oba;
(2) Zastosowany system wymaga wyjątkowo wysokiej sprawności od obciążenia małego do połowy obciążenia. Pierwszym wyborem są tranzystory azotku galu, a następnie tranzystory MOSFET z węglika krzemu;
(3) Jeżeli zastosowany układ charakteryzuje się wysoką maksymalną temperaturą roboczą, ma trudności z odprowadzaniem ciepła lub wymaga wyjątkowo wysokiej sprawności przy pełnym obciążeniu, pierwszym wyborem są tranzystory MOSFET z węglika krzemu, a następnie tranzystory z azotku galu;
(4) Zastosowany układ charakteryzuje się dużymi zakłóceniami szumowymi, zwłaszcza zakłóceniami spowodowanymi przez sterowanie bramką. Pierwszym wyborem jest tranzystor MOSFET z węglika krzemu, a drugim tranzystor z azotku galu;
(5) Jeżeli zastosowany system wymaga wyłącznika zasilania o dużej zdolności zwarciowej, pierwszym wyborem jest tranzystor MOSFET z węglika krzemu;
(6) W przypadku innych systemów zastosowań bez specjalnych wymagań wybór produktu zależy od takich czynników, jak metoda odprowadzania ciepła, gęstość mocy i znajomość tych dwóch zagadnień przez projektanta.
Podsumuj
Wraz z rosnącą znajomością branży i zdobywaniem doświadczenia w jej zastosowaniach, gwałtownie wzrośnie wykorzystanie obu tych technologii, co doprowadzi do spadku ich cen. To z kolei przyczyni się do szerszego wykorzystania półprzewodników mocy o szerokiej przerwie energetycznej, tworząc swoisty mechanizm samonapędzający. Dlatego niezwykle ważne jest, aby inżynierowie elektrycy jak najwcześniej opanowali i zaczęli stosować półprzewodniki mocy o szerokiej przerwie energetycznej, aby zwiększyć konkurencyjność swoich produktów, poprawić ich widoczność i rozwinąć własne możliwości. Wierzę, że niniejszy artykuł ma duże znaczenie dla inżynierów elektryków, którzy chcą poznać i stosować półprzewodniki mocy o szerokiej przerwie energetycznej.
Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z „TechSugar”. Artykuł ten przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Jest on przeznaczony wyłącznie do przedruku i udostępniania w celu ochrony praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia.
Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li
QQ: 332496225 Menedżer Qiu
Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen




粤公网安备44030002007346号