nitretos de gáliotransistores ecarboneto de silícioO MOSFET é um semicondutor de potência emergente nos últimos dois ou três anos. Comparado aos semicondutores de potência de silício tradicionais, ele apresenta muitas características excelentes: alta tensão suportável, baixa resistência de condução, baixos parâmetros parasitas, etc. Ele também possui características únicas: os parâmetros parasitas extremamente baixos e a velocidade de comutação extremamente rápida dos transistores de nitreto de gálio os tornam particularmente adequados para aplicações de alta frequência. A facilidade de acionamento e a alta confiabilidade do MOSFET de carbeto de silício o tornam adequado para fontes de alimentação chaveadas de alto desempenho.

Este artigo é baseado nos transistores de nitreto de gálio e nos MOSFETs de carbeto de silício da Infineon e fornece uma introdução detalhada às suas estruturas, características e diferenças de aplicação.      
Como gêmeos incomparáveis ​​da terceira geração de semicondutores de potência, os transistores de nitreto de gálio e os MOSFETs de carbeto de silício estão atraindo cada vez mais a atenção da indústria, especialmente dos engenheiros elétricos. O motivo pelo qual os engenheiros elétricos dedicam tanta atenção a esses dois semicondutores de potência reside nas inúmeras vantagens que seus materiais apresentam em comparação com os materiais de silício tradicionais, conforme ilustrado na Figura 1. A maior largura da banda proibida e a maior intensidade do campo crítico dos materiais de nitreto de gálio e carbeto de silício conferem aos semicondutores de potência baseados nesses dois materiais características excelentes, como alta tensão suportável, baixa resistência de condução e pequenos parâmetros parasitas. Quando utilizados em fontes de alimentação chaveadas, apresentam vantagens como baixa perda, alta frequência de operação e alta confiabilidade, o que pode melhorar significativamente a eficiência, a densidade de potência e a confiabilidade da fonte de alimentação chaveada.      
          Figura 1: Comparação das principais propriedades do silício, do carbeto de silício e do nitreto de gálio.
Devido às excelentes características mencionadas, os transistores de nitreto de gálio e os MOSFETs de carbeto de silício estão sendo cada vez mais utilizados em aplicações industriais e sua utilização deverá aumentar em larga escala. A Figura 2 mostra os campos de aplicação e as previsões de vendas desses dois semicondutores de potência, segundo a IHS Markit. Com a expansão dos campos de aplicação, as vendas de transistores de nitreto de gálio e MOSFETs de carbeto de silício também aumentarão significativamente. A Figura 3 apresenta a previsão de vendas para esses dois semicondutores de potência, também fornecida pela IHS Markit.      
      Figura 2: Campos de aplicação e previsão de vendas de transistores de nitreto de gálio e MOSFETs de carbeto de silício
      Figura 3: Previsão de vendas de transistores de nitreto de gálio e MOSFETs de carbeto de silício
No Capítulo 2 deste artigo, a estrutura e as características dos transistores de nitreto de gálio serão apresentadas em detalhes. O Capítulo 3 apresentará a estrutura e as características dos MOSFETs de carbeto de silício em detalhes. No Capítulo 4, será realizada uma análise comparativa do uso desses dois semicondutores de potência no mesmo circuito para explicar mais claramente as semelhanças e diferenças em suas aplicações. Por fim, o texto completo será resumido.      
             Estrutura e características do transistor de nitreto de gálio          

Estrutura do transistor de nitreto de gálio

Ao contrário dos semicondutores de potência feitos de silício, os transistores de nitreto de gálio conduzem eletricidade através de um gás de elétrons bidimensional (2DEG) formado pelo efeito piezoelétrico de dois materiais com diferentes gaps de banda (geralmente AlGaN e GaN) na interface, como mostrado na Figura 4. Como o gás de elétrons bidimensional conduz eletricidade apenas com alta concentração de elétrons, não há problema de recombinação de portadores minoritários (ou seja, recuperação reversa do diodo de corpo) do MOSFET de silício.      
      Figura 4: Diagrama esquemático do princípio condutor do nitreto de gálio
A estrutura do transistor básico de nitreto de gálio mostrada na Figura 4 é a de um transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) em modo de depleção, o que significa que, quando nenhuma tensão é aplicada entre o gate e o source (VGS = 0 V), o dreno do transistor de nitreto de gálio e o componente são condutores, ou seja, trata-se de um dispositivo normalmente ligado. Isso é completamente diferente dos tradicionais MOSFETs ou IGBTs normalmente fechados, que são muito difíceis de usar em aplicações industriais, especialmente na área de fontes de alimentação chaveadas. Para lidar com esse problema, a indústria geralmente adota duas soluções. Uma delas é usar uma estrutura cascode, e a outra é adicionar nitreto de gálio tipo P ao gate para formar um transistor em modo de enriquecimento (normalmente fechado). As estruturas das duas soluções são mostradas na Figura 5.      
      Figura 5: Duas estruturas de transistores de nitreto de gálio
O nitreto de gálio na estrutura em cascata é um nitreto de gálio do tipo depleção conectado em cascata com um MOSFET de silício de baixa tensão. A vantagem dessa estrutura é que seu acionamento é exatamente o mesmo de um MOSFET de silício tradicional (pois aciona um MOSFET de silício). No entanto, essa estrutura também apresenta grandes desvantagens. Primeiro, o MOSFET de silício possui um diodo de corpo. Quando o nitreto de gálio conduz corrente na direção reversa, ocorre um problema de recuperação reversa do diodo de corpo. Segundo, o dreno do MOSFET de silício está conectado à fonte do nitreto de gálio do tipo depleção. Durante a comutação do MOSFET de silício, a oscilação entre o dreno e a fonte é a oscilação entre a fonte e o gate do nitreto de gálio. Como essa oscilação é inevitável, existe a possibilidade de o transistor de nitreto de gálio ser ligado e desligado erroneamente. Finalmente, como dois dispositivos de potência são conectados em cascata, a possibilidade de reduzir ainda mais a resistência de condução de todo o dispositivo de nitreto de gálio é limitada.      
Devido aos problemas mencionados na estrutura em cascata, a tecnologia predominante de transistores de nitreto de gálio na indústria de semicondutores de potência é a de transistores de nitreto de gálio em modo de enriquecimento. Tomando como exemplo o transistor de nitreto de gálio CoolGaN da Infineon Technologies Co., Ltd., sua estrutura detalhada é mostrada na Figura 6.      
      Figura 6: Diagrama esquemático da estrutura CoolGaN
Como mostrado na Figura 6, os transistores de nitreto de gálio (GaN) atualmente disponíveis no mercado possuem uma estrutura planar, ou seja, a fonte, o gate e o dreno estão no mesmo plano, diferentemente da estrutura vertical do MOSFET de silício representada pela tecnologia Super Junction. A estrutura de GaN tipo p abaixo do gate forma o transistor de GaN de modo de enriquecimento descrito anteriormente. Outra estrutura de GaN tipo p próxima ao dreno serve para solucionar o problema de colapso de corrente que ocorre frequentemente em transistores de GaN. O substrato dos produtos CoolGaN da Infineon Technologies Co., Ltd. utiliza silício, o que reduz significativamente o custo do material dos transistores de GaN. Como os coeficientes de expansão térmica do silício e do GaN são muito diferentes, diversas camadas de transição são adicionadas entre o substrato e o GaN para garantir que o transistor de GaN não apresente problemas de falha, como delaminação do wafer, sob condições severas de operação, como ciclos de alta e baixa temperatura e choques térmicos.      
       

Características dos transistores de nitreto de gálio

Com base na estrutura mostrada na Figura 6, o CoolGaN possui as características apresentadas na Tabela 1 e as vantagens que oferece.      
      Tabela 1: Características do CoolGaN e suas vantagens
A partir das características apresentadas na Tabela 1, observa-se que os transistores de nitreto de gálio não possuem diodo de corpo, mas ainda assim conduzem corrente reversa. Portanto, são muito adequados para circuitos que requerem fluxo de corrente reversa na chave de potência e que apresentam comutação rígida, como o PFC sem ponte totem pole em modo de corrente contínua (CCM), o qual permite alcançar altíssima confiabilidade e eficiência. O diagrama da topologia do circuito é mostrado na Figura 7. Na figura, Q1 e Q2 são transistores de nitreto de gálio, e Q3 e Q4 são MOSFETs de silício.      
      Figura 7: Diagrama esquemático da topologia PFC totem pole usando transistores de nitreto de gálio
A partir da Tabela 1, podemos também observar que o nitreto de gálio possui velocidade de comutação extremamente rápida e baixas perdas de acionamento, sendo, portanto, muito adequado para aplicações de alta frequência. Fontes de alimentação chaveadas de alta frequência que utilizam transistores de nitreto de gálio apresentam as vantagens de alta densidade de potência e alta eficiência. A Figura 8 mostra um conversor CC-CC de 3.6 kW com topologia LLC. A frequência de ressonância da topologia LLC é de 350 kHz. A densidade de potência do conversor atinge 160 W/in³ e a eficiência máxima ultrapassa 98%.      
      Figura 8: Circuito de conversão LLC de 3.6 kW usando CoolGaN
A partir da análise acima, pode-se observar que os transistores de nitreto de gálio são adequados para aplicações que exigem alta eficiência, alta frequência e alta densidade de potência.      
             Estrutura do MOSFET de carbeto de silício e suas características          

Estrutura do MOSFET de carbeto de silício

A estrutura de um MOSFET planar de carbeto de silício comum é mostrada na Figura 9. Para reduzir a resistência do canal, essa estrutura geralmente é projetada com uma camada de óxido de porta muito fina, o que acarreta riscos de confiabilidade para a camada de óxido de porta em tensões de entrada de porta mais altas. Para solucionar esse problema, o produto CoolSiC, um MOSFET de carbeto de silício, utiliza uma estrutura de porta diferente, chamada MOSFET de carbeto de silício com trincheira. Sua estrutura de porta é mostrada na Figura 10. Ao adotar essa estrutura, a resistência do canal do MOSFET de carbeto de silício deixa de estar fortemente relacionada à camada de óxido de porta, de modo que a resistência de condução (resistência on) pode permanecer extremamente baixa, garantindo alta confiabilidade e viabilidade da porta.      
      Figura 9: Diagrama estrutural esquemático de um MOSFET planar de carbeto de silício.
      Figura 10: Estrutura de porta em trincheira CoolSiC
       

Características do MOSFET de carbeto de silício

Semelhantes aos transistores de nitreto de gálio, os MOSFETs de carbeto de silício também apresentam características de baixa resistência de condução e baixos parâmetros parasitas. Além disso, suas características de diodo de corpo são significativamente superiores às dos MOSFETs de silício. A Figura 11 compara os dois principais indicadores RDS(on)*Qrr e RDS(on)*Qoss dos MOSFETs de carbeto de silício de 650 V resistentes à tensão, CoolSiC e CoolMOS CFD7, da Infineon, o MOSFET de potência de silício com o melhor desempenho de diodo de corpo do mercado. O primeiro indicador mede as características de recuperação reversa do diodo de corpo, enquanto o segundo mede a quantidade de carga armazenada no capacitor de saída do MOSFET. Quanto menores os valores desses dois indicadores, melhores as características de recuperação reversa e menor a carga armazenada (na topologia de chaveamento suave, menor a zona morta necessária para os transistores de potência superior e inferior da estrutura de meia-ponte). Pode-se observar que, em comparação com MOSFETs de silício com resistência de condução semelhante, a carga de recuperação reversa do MOSFET de carbeto de silício é de apenas cerca de 1/6, e a carga no capacitor de saída é de apenas cerca de 1/5. Portanto, o MOSFET de carbeto de silício é particularmente adequado para topologias em que o diodo de corpo será desligado abruptamente (como PFC sem ponte totem pole em modo contínuo de corrente) e topologias de comutação suave (LLC, ponte completa com deslocamento de fase, etc.).      
Os MOSFETs de carbeto de silício também possuem uma característica excepcional: a capacidade de suportar curto-circuito. Comparado aos MOSFETs de silício, o tempo de curto-circuito é significativamente maior, o que é crucial para aplicações em acionamento de motores, como inversores. A Figura 12 apresenta um gráfico comparativo das capacidades de curto-circuito do CoolSiC e do CoolMOS. Observa-se que o CoolSiC apresenta características excelentes, como longo tempo de curto-circuito e baixa corrente de curto-circuito, além de uma confiabilidade significativamente maior em condições de curto-circuito.      
      Figura 11: Comparação de desempenho entre MOSFET de carbeto de silício e MOSFET de silício.
      Figura 12: Comparação das capacidades de curto-circuito dos MOSFETs de carbeto de silício
O Capítulo 3 apresenta as respectivas estruturas e características dos transistores de nitreto de gálio e dos MOSFETs de carbeto de silício. A seguir, compararemos os parâmetros e os circuitos reais entre os dois.      
             Comparação entre MOSFETs de nitreto de gálio e de carbeto de silício          

Comparação de parâmetros elétricos

A Tabela 2 mostra o transistor de nitreto de gálio CoolGaN e o MOSFET de carbeto de silício CoolSiC, comparando os principais parâmetros dos dois semicondutores de potência.      
      Tabela 2: Comparação dos principais parâmetros do MOSFET CoolGaN e do MOSFET de carbeto de silício CoolSiC
A partir da Tabela 2, podemos observar que os parâmetros dinâmicos dos transistores de nitreto de gálio são menores do que os dos MOSFETs de carbeto de silício. Portanto, as perdas de comutação dos transistores de nitreto de gálio são menores do que as dos MOSFETs de carbeto de silício, e suas vantagens serão mais evidentes em altas frequências de operação. Quando a corrente flui na direção oposta (fonte para dreno), a queda de tensão do transistor de nitreto de gálio está relacionada à sua tensão de acionamento porta-fonte. Qual valor é maior ou menor precisa ser comparado de acordo com a aplicação. Para a última tensão de limiar Vgs(th), o valor do transistor de nitreto de gálio é muito pequeno, o que significa que deve-se prestar muita atenção ao projeto de acionamento do transistor. Se o ruído na porta for alto, pode causar o acionamento acidental do transistor de nitreto de gálio. Ao mesmo tempo, o CoolGaN utiliza um modo de acionamento por corrente, diferente do acionamento por tensão tradicional. A tensão de limiar do MOSFET de carbeto de silício é muito mais alta, e seus requisitos de acionamento são muito semelhantes aos do IGBT.      
A Figura 13 mostra uma comparação de outro parâmetro importante, ou seja, a taxa de variação da resistência de condução RDS(on) com a temperatura. É sabido que a resistência de condução de semicondutores de potência possui um coeficiente de temperatura positivo, isto é, quanto maior a temperatura da junção, maior a resistência de condução. Pode-se observar na Figura 13 que o coeficiente de aumento de temperatura do MOSFET de carbeto de silício é muito menor do que o do transistor de nitreto de silício e do MOSFET de silício. Quando a temperatura da junção é de 100 °C, a diferença atinge 30% e 50%, respectivamente. De acordo com a Figura 13, pode-se observar que, assumindo que a resistência de condução do MOSFET de carbeto de silício e do transistor de nitreto de gálio seja a mesma a uma temperatura de junção de 25°C, no mesmo circuito de aplicação, isso significa que a perda de condução de ambos (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) é a mesma, mas quando a temperatura de junção dos dois sobe para 100°C, a perda de condução do MOSFET de carbeto de silício é apenas 70% daquela do transistor de nitreto de silício, o que é muito atraente para cenários de aplicação com requisitos ambientais severos e alta eficiência em altas temperaturas.      
      Figura 13: Curvas de resistência de condução (on-resistência) de MOSFET de carbeto de silício, transistor de nitreto de gálio e MOSFET de silício em função da temperatura de junção.
       

Comparação de aplicativos

Primeiramente, o impacto dos transistores de nitreto de gálio e dos MOSFETs de carbeto de silício na eficiência de conversão foi testado no circuito PFC sem ponte totem-pole em modo de corrente contínua (CCM) mostrado na Figura 7. As condições de teste são apresentadas na Tabela 3.      
      Tabela 3: Condições de teste do circuito PFC
No teste, dois dispositivos de resistência de condução (RDS(on)) foram testados para cada chave de potência. Para o transistor de nitreto de gálio, o RDS(on) foi de 35 mΩ e 45 mΩ, respectivamente, e para o MOSFET de carbeto de silício foi de 65 mΩ e 80 mΩ, respectivamente. Os resultados do teste são mostrados na Figura 14. Como a perda de comutação da chave de potência é maior que a perda de condução em condições de baixa carga, a eficiência dos transistores de nitreto de gálio é significativamente maior que a dos transistores de carbeto de silício. Quando a carga aumenta gradualmente, a perda de condução representa uma proporção maior da perda total do que a perda de comutação. Ao mesmo tempo, com o aumento da carga, a temperatura da chave de potência também aumenta. De acordo com a taxa de variação da resistência de condução com a temperatura de junção na Figura 13, observa-se que a resistência de condução do transistor de carbeto de silício aumenta menos com a temperatura. Portanto, a diferença de eficiência entre as duas chaves de potência em altas temperaturas é muito pequena, embora a resistência de condução do transistor de carbeto de silício a 25°C seja maior do que a do transistor de nitreto de gálio.      
      Figura 14: Curva de eficiência do MOSFET de carbeto de silício e do transistor de nitreto de gálio no nível PFC
Em seguida, comparamos as eficiências calculadas de transistores de nitreto de gálio e MOSFETs de carbeto de silício em diferentes frequências de operação em uma topologia de circuito LLC de meia ponte paralela intercalada de duas fases para uma potência de saída de 3 kW. O cálculo ignora o impacto do aumento das perdas em componentes magnéticos (incluindo indutores ressonantes e indutores de potência principais) causado pelo aumento da frequência. A topologia do circuito é mostrada na Figura 15. O modelo de transistor de nitreto de gálio selecionado é o IGOT60R070D1 (RDS(on) máximo a 25 °C é de 70 mΩ), com um total de 8 unidades. O modelo de MOSFET de carbeto de silício selecionado é o IMZA65R048M1H (RDS(on) máximo a 25 °C é de 64 mΩ), também com um total de 8 unidades.      
      Figura 15: Diagrama esquemático de um circuito LLC paralelo escalonado de duas fases.
Sob carga de 50% (1500 W) e em ambiente de temperatura normal, a comparação de eficiência em diferentes frequências de operação é mostrada na Figura 16. Quando a frequência de operação é baixa (<100 kHz), a eficiência dos transistores de nitreto de gálio e dos MOSFETs de carbeto de silício com resistência de condução semelhante é similar, e ambos podem atingir uma eficiência muito alta (>99.2%). Quando a frequência de operação é aumentada para 300 kHz, devido aos seus parâmetros parasitas muito pequenos, o nitreto de gálio apresenta uma baixa proporção de perdas de comutação em relação às perdas totais, portanto sua eficiência diminui muito pouco (0.08%), enquanto a eficiência dos MOSFETs de carbeto de silício diminui em 0.58% (de 99.28% para 98.7%). Quando a frequência de operação sobe para 500 kHz, a diferença de eficiência entre os dois se torna muito grande (1%). É claro que, se considerarmos um circuito real e que o aumento da frequência causará um aumento acentuado nas perdas dos componentes magnéticos, a diferença de eficiência entre os dois não será tão grande, mas a tendência de variação da eficiência será a mesma.      
      Figura 16: Comparação da eficiência de dois dispositivos de potência em diferentes frequências de operação.
             Recomendações de aplicação para MOSFETs de nitreto de gálio e carbeto de silício          

De acordo com as discussões dos Capítulos 3 e 4, com base nos transistores de nitreto de gálio e nos MOSFETs de carbeto de silício da Infineon Technologies Co., Ltd., as recomendações de aplicação para esses dois semicondutores de potência de banda larga são as seguintes:
(1) Por alguns motivos, o sistema aplicado deve operar em uma frequência superior a 200 kHz. Os transistores de nitreto de gálio são a primeira escolha, seguidos pelos MOSFETs de carbeto de silício. Se a frequência de operação for inferior a 200 kHz, ambos podem ser usados;
(2) O sistema aplicado requer eficiência extremamente alta desde cargas leves até meia carga. Os transistores de nitreto de gálio são a primeira escolha, seguidos pelos MOSFETs de carbeto de silício;
(3) Se o sistema aplicado tiver uma temperatura máxima de operação elevada, dificuldade em dissipar calor ou exigir uma eficiência extremamente alta em plena carga, os MOSFETs de carbeto de silício são a primeira escolha, seguidos pelos transistores de nitreto de gálio;
(4) O sistema aplicado apresenta grande interferência de ruído, especialmente interferência de acionamento de porta. O MOSFET de carbeto de silício é a primeira escolha e o transistor de nitreto de gálio é a segunda escolha;
(5) Se o sistema aplicado exigir uma chave de potência com grande capacidade de curto-circuito, o MOSFET de carbeto de silício é a primeira escolha;
(6) Para outros sistemas de aplicação sem requisitos especiais, a escolha do produto depende de fatores como método de dissipação de calor, densidade de potência e familiaridade do projetista com os dois.      
             Resumir          

Este artigo apresenta uma introdução detalhada à estrutura, características, diferenças de desempenho e sugestões de aplicação de semicondutores de potência de banda larga que surgiram nos últimos anos, nomeadamente transistores de nitreto de gálio e MOSFETs de carbeto de silício. Como os semicondutores de potência de banda larga possuem muitas vantagens de desempenho que os semicondutores de silício não conseguem igualar, a indústria está a utilizá-los cada vez mais.      
     

À medida que a indústria se familiariza e adquire mais experiência em aplicações, o uso de semicondutores de potência de banda larga aumentará acentuadamente, o que reduzirá seus preços. Isso, por sua vez, promoverá o uso em larga escala desses semicondutores, formando um ciclo virtuoso. Portanto, é crucial que os engenheiros eletricistas dominem e utilizem semicondutores de potência de banda larga o quanto antes para melhorar a competitividade de seus produtos, aumentar sua visibilidade e aprimorar suas próprias capacidades. Acredito que este artigo seja uma referência importante para engenheiros eletricistas que desejam se familiarizar e utilizar semicondutores de potência de banda larga.

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