нитриды галлиятранзисторы иКарбид кремнияMOSFET — это перспективный силовой полупроводник последних двух-трех лет. По сравнению с традиционными кремниевыми силовыми полупроводниками, он обладает множеством превосходных характеристик: высоким выдерживаемым напряжением, малым сопротивлением в открытом состоянии, малыми паразитными параметрами и т. д. Он также имеет свои уникальные особенности: чрезвычайно малые паразитные параметры и чрезвычайно высокая скорость переключения транзисторов на основе нитрида галлия делают их особенно подходящими для высокочастотных применений. Простота управления и высокая надежность MOSFET на основе карбида кремния делают его подходящим для высокопроизводительных импульсных источников питания.

Данная статья основана на транзисторах из нитрида галлия и полевых транзисторах из карбида кремния производства компании Infineon и содержит подробное описание их структуры, характеристик и различий в применении.      
Транзисторы на основе нитрида галлия и МОП-транзисторы на основе карбида кремния, являющиеся непревзойденными аналогами третьего поколения силовых полупроводников, все больше привлекают внимание промышленности, особенно инженеров-электриков. Причина, по которой инженеры-электрики уделяют этим двум силовым полупроводникам такое большое внимание, заключается в том, что их материалы обладают множеством преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми материалами, как показано на рисунке 1. Большая ширина запрещенной зоны и более высокая критическая напряженность поля нитрида галлия и карбида кремния обеспечивают силовым полупроводникам на их основе превосходные характеристики, такие как высокое выдерживаемое напряжение, низкое сопротивление в открытом состоянии и малые паразитные параметры. При использовании в области импульсных источников питания они обладают преимуществами низких потерь, высокой рабочей частоты и высокой надежности, что может значительно повысить эффективность, плотность мощности и надежность импульсных источников питания.      
          Рисунок 1: Сравнение основных свойств кремния, карбида кремния и нитрида галлия.
Благодаря вышеперечисленным превосходным характеристикам, транзисторы на основе нитрида галлия и МОП-транзисторы на основе карбида кремния все чаще используются в промышленности и будут применяться в более широких масштабах. На рисунке 2 показаны области применения и прогнозы продаж этих двух силовых полупроводников, предоставленные IHS Markit. По мере расширения областей применения продажи транзисторов на основе нитрида галлия и МОП-транзисторов на основе карбида кремния также значительно возрастут. На рисунке 3 представлен прогноз продаж этих двух силовых полупроводников, предоставленный IHS Markit.      
      Рисунок 2: Области применения и прогноз продаж транзисторов на основе нитрида галлия и МОП-транзисторов на основе карбида кремния.
      Рисунок 3: Прогноз продаж транзисторов на основе нитрида галлия и МОП-транзисторов на основе карбида кремния.
В главе 2 данной статьи подробно рассматриваются структура и характеристики транзисторов на основе нитрида галлия. В главе 3 подробно описывается структура и характеристики MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния. В главе 4 будет проведен сравнительный анализ использования этих двух силовых полупроводников в одной схеме для более наглядного объяснения сходств и различий в их применении. В заключение будет представлено краткое изложение всего текста.      
             Структура и характеристики транзистора на основе нитрида галлия          

Структура транзистора из нитрида галлия

В отличие от силовых полупроводников, изготовленных из кремния, транзисторы на основе нитрида галлия проводят электричество через двумерный электронный газ (2DEG), образующийся за счет пьезоэлектрического эффекта двух материалов с разными ширинами запрещенной зоны (обычно AlGaN и GaN) на границе раздела, как показано на рисунке 4. Поскольку двумерный электронный газ проводит электричество только при высокой концентрации электронов, отсутствует проблема рекомбинации неосновных носителей заряда (т.е. обратного восстановления диода подложки) в кремниевом MOSFET.      
      Рисунок 4: Схема принципа проводимости нитрида галлия.
Структура базового транзистора на основе нитрида галлия, показанная на рисунке 4, представляет собой транзистор с высокой подвижностью электронов в режиме обеднения (HEMT), что означает, что при отсутствии напряжения между затвором и истоком (VGS=0 В) сток транзистора на основе нитрида галлия и компонент являются проводящими, то есть это нормально включенное устройство. Это полностью отличается от традиционных нормально замкнутых силовых ключей на основе MOSFET или IGBT, которые очень сложно использовать в промышленных приложениях, особенно в области импульсных источников питания. Для решения этой проблемы в промышленности обычно используются два решения. Одно из них — использование каскадной структуры, а другое — добавление нитрида галлия P-типа к затвору для формирования транзистора с обогащенным режимом (нормально замкнутого). Структуры обоих решений показаны на рисунке 5.      
      Рисунок 5: Две структуры транзисторов на основе нитрида галлия.
В каскадной структуре нитрид галлия представляет собой обедненный нитрид галлия, соединенный каскадом с низковольтным кремниевым MOSFET. Преимущество этой структуры заключается в том, что ее управление точно такое же, как у традиционного кремниевого MOSFET (поскольку она управляет кремниевым MOSFET). Однако эта структура также имеет существенные недостатки. Во-первых, кремниевый MOSFET имеет диод в подложке. Когда нитрид галлия проводит ток в обратном направлении, возникает проблема обратного восстановления диода в подложке. Во-вторых, сток кремниевого MOSFET соединен с истоком обедненного нитрида галлия. Во время включения и выключения кремниевого MOSFET колебания между стоком и истоком представляют собой колебания между истоком и затвором нитрида галлия. Поскольку эти колебания неизбежны, существует вероятность того, что транзистор из нитрида галлия может быть ошибочно включен или выключен. Наконец, поскольку два силовых устройства соединены каскадно, возможности дальнейшего снижения сопротивления в открытом состоянии всего устройства на основе нитрида галлия ограничены.      
Из-за вышеуказанных проблем в каскадной структуре, основной технологией транзисторов на основе нитрида галлия в силовой полупроводниковой промышленности являются транзисторы на основе нитрида галлия с обогащенным режимом. В качестве примера рассмотрим транзистор на основе нитрида галлия CoolGaN компании Infineon Technologies Co., Ltd., его подробная структура показана на рисунке 6.      
      Рисунок 6: Схема структуры CoolGaN
Как показано на рисунке 6, современные транзисторы на основе нитрида галлия имеют планарную структуру, то есть исток, затвор и сток находятся в одной плоскости, что отличается от вертикальной структуры кремниевых MOSFET, представленной технологией Super Junction. Структура p-GaN под затвором образует описанный ранее транзистор на основе нитрида галлия с обогащенным режимом. Другая структура p-GaN рядом со стоком предназначена для решения проблемы пробоя тока, часто возникающей в транзисторах на основе нитрида галлия. В качестве подложки в продуктах CoolGaN компании Infineon Technologies Co., Ltd. используется кремний, что позволяет значительно снизить стоимость материалов для транзисторов на основе нитрида галлия. Поскольку коэффициенты теплового расширения кремния и нитрида галлия сильно различаются, между подложкой и GaN добавляется множество переходных слоев, чтобы гарантировать, что транзистор на основе нитрида галлия не будет испытывать проблем с отказом, таких как расслоение пластины, в жестких условиях эксплуатации, таких как циклы высоких и низких температур и ударные нагрузки.      
       

Характеристики транзисторов на основе нитрида галлия

Исходя из структуры, показанной на рисунке 6, CoolGaN обладает характеристиками, указанными в таблице 1, и преимуществами, которые он предоставляет.      
      Таблица 1: Характеристики CoolGaN и его преимущества.
Из характеристик, представленных в таблице 1, видно, что транзисторы на основе нитрида галлия не имеют встроенного диода, но при этом способны проводить обратный ток, поэтому они очень подходят для схем, требующих обратного тока силового ключа и жесткой коммутации, таких как беспроводная коррекция коэффициента мощности (PFC) с двухтактным цоколем в режиме непрерывного тока (CCM), что позволяет достичь чрезвычайно высокой надежности и эффективности. Схема топологии цепи показана на рисунке 7. На рисунке Q1 и Q2 — транзисторы на основе нитрида галлия, а Q3 и Q4 — кремниевые MOSFET-транзисторы.      
      Рисунок 7: Схема топологии коррекции коэффициента мощности типа «тотемный столб» с использованием транзисторов из нитрида галлия.
Из таблицы 1 также видно, что нитрид галлия обладает чрезвычайно высокой скоростью переключения и малыми потерями на управление, поэтому он очень подходит для высокочастотных применений. Высокочастотные импульсные источники питания, использующие транзисторы на основе нитрида галлия, обладают преимуществами высокой удельной мощности и высокой эффективности. На рисунке 8 показан DC-DC преобразователь с топологией LLC мощностью 3.6 кВт. Резонансная частота LLC составляет 350 кГц. Удельная мощность преобразователя достигает 160 Вт/дюйм³, а максимальная эффективность превышает 98%.      
      Рисунок 8: Схема преобразования LLC мощностью 3.6 кВт с использованием CoolGaN.
Из приведенного выше анализа видно, что транзисторы на основе нитрида галлия подходят для применений, требующих высокой эффективности, высокой частоты и высокой удельной мощности.      
             Структура МОП-транзистора на основе карбида кремния и его характеристики.          

Структура МОП-транзистора на основе карбида кремния

Структура обычного планарного MOSFET на основе карбида кремния показана на рисунке 9. Для снижения сопротивления канала в этой структуре обычно используется очень тонкий слой затворного оксида, что создает риски для надежности слоя затворного оксида при более высоких входных напряжениях на затворе. Для решения этой проблемы в продукте CoolSiC на основе карбида кремния используется другая структура затвора, которая называется траншейным MOSFET на основе карбида кремния. Структура его затвора показана на рисунке 10. После применения этой структуры сопротивление канала MOSFET на основе карбида кремния больше не сильно зависит от слоя затворного оксида, поэтому сопротивление в открытом состоянии остается чрезвычайно низким, обеспечивая при этом высокую надежность и работоспособность затвора.      
      Рисунок 9: Схематическое структурное изображение планарного МОП-транзистора на основе карбида кремния.
      Рисунок 10: Структура траншейного затвора CoolSiC
       

Характеристики МОП-транзистора на основе карбида кремния

Подобно транзисторам на основе нитрида галлия, МОП-транзисторы на основе карбида кремния также обладают такими характеристиками, как малое сопротивление в открытом состоянии и малые паразитные параметры. Кроме того, их характеристики диода подложки также значительно улучшены по сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами. На рисунке 11 приведено сравнение двух основных показателей RDS(on)*Qrr и RDS(on)*Qoss для МОП-транзисторов на основе карбида кремния Infineon с напряжением 650 В CoolSiC и CoolMOS CFD7, кремниевых силовых МОП-транзисторов с лучшими в отрасли характеристиками диода подложки. Первый показатель измеряет характеристики обратного восстановления диода подложки, а второй — количество заряда, накопленного на выходном конденсаторе МОП-транзистора. Чем меньше значения этих двух показателей, тем лучше характеристики обратного восстановления и тем меньше накопленный заряд (в топологии мягкого переключения требуется меньшая мертвая зона для верхнего и нижнего силовых транзисторов полумостовой структуры). Видно, что по сравнению с кремниевыми MOSFET-транзисторами с аналогичным сопротивлением в открытом состоянии, обратный заряд восстановления MOSFET-транзистора на основе карбида кремния составляет всего около 1/6, а заряд на выходном конденсаторе — всего около 1/5. Поэтому MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния особенно подходят для топологий, где диод встраивания будет жестко выключен (например, бесмостовые PFC-транзисторы с непрерывным током) и топологий с мягким переключением (LLC, фазосдвинутый полномостовой транзистор и т. д.).      
МОП-транзисторы на основе карбида кремния также обладают выдающейся характеристикой: способностью к короткому замыканию. По сравнению с кремниевыми МОП-транзисторами, время короткого замыкания значительно улучшено, что очень важно для применения в системах управления двигателями, таких как инверторы. На рисунке 12 показана сравнительная диаграмма характеристик короткого замыкания CoolSiC и CoolMOS. Из рисунка видно, что CoolSiC демонстрирует превосходные характеристики, такие как длительное время короткого замыкания и малый ток короткого замыкания, а также значительно повышает свою надежность в условиях короткого замыкания.      
      Рисунок 11: Сравнение характеристик MOSFET на основе карбида кремния и MOSFET на основе кремния.
      Рисунок 12: Сравнение характеристик короткого замыкания МОП-транзисторов на основе карбида кремния.
В главе 3 рассматриваются структуры и характеристики транзисторов на основе нитрида галлия и МОП-транзисторов на основе карбида кремния. Далее будут проведены сравнения параметров и схем работы этих двух типов транзисторов.      
             Сравнение MOSFET-транзисторов на основе нитрида галлия и карбида кремния          

Сравнение электрических параметров

В таблице 2 представлены транзистор на основе нитрида галлия CoolGaN и MOSFET на основе карбида кремния CoolSiC, а также сравниваются ключевые параметры этих двух силовых полупроводников.      
      Таблица 2: Сравнение ключевых параметров МОП-транзисторов CoolGaN и CoolSiC на основе карбида кремния.
Из таблицы 2 видно, что динамические параметры транзисторов на основе нитрида галлия ниже, чем у MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния. Следовательно, потери при переключении транзисторов на основе нитрида галлия ниже, чем у MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния, и их преимущества будут более очевидны на высоких рабочих частотах. Когда ток течет в противоположном направлении (исток-сток), падение напряжения на транзисторе из нитрида галлия связано с его управляющим напряжением затвор-исток. Какое из них выше, а какое ниже, необходимо сравнивать в зависимости от условий применения. Для последнего порогового напряжения Vgs(th) значение для транзистора из нитрида галлия очень мало, что означает, что необходимо уделять большое внимание проектированию управляющего напряжения транзистора из нитрида галлия. Если шум на затворе велик, это может привести к случайному включению транзистора из нитрида галлия. В то же время, CoolGaN использует токовое управление, что отличается от традиционного управления напряжением. Пороговое напряжение MOSFET на основе карбида кремния значительно выше, и его требования к управлению очень близки к требованиям управления IGBT.      
На рисунке 13 показано сравнение еще одного важного параметра, а именно скорости изменения сопротивления в открытом состоянии RDS(on) в зависимости от температуры. Хорошо известно, что сопротивление в открытом состоянии силовых полупроводниковых переключателей имеет положительный температурный коэффициент, то есть чем выше температура перехода, тем больше сопротивление в открытом состоянии. Из рисунка 13 видно, что коэффициент повышения температуры для MOSFET на основе карбида кремния значительно меньше, чем для транзистора на основе нитрида кремния и кремниевого MOSFET. При температуре перехода 100 °C разница достигает 30% и 50%. Согласно рисунку 13, видно, что если предположить, что сопротивление в открытом состоянии MOSFET на основе карбида кремния и транзистора на основе нитрида галлия одинаково при температуре перехода 25°C, то в одной и той же схеме применения потери проводимости обоих транзисторов (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) одинаковы, но когда температура перехода обоих транзисторов повышается до 100°C, потери проводимости MOSFET на основе карбида кремния составляют всего 70% от потерь проводимости транзистора на основе нитрида кремния, что очень привлекательно для сценариев применения с жесткими требованиями к окружающей среде и высокой эффективностью при высоких температурах.      
      Рисунок 13: Кривые сопротивления в открытом состоянии МОП-транзистора на основе карбида кремния, транзистора на основе нитрида галлия и кремниевого МОП-транзистора в зависимости от температуры перехода.
       

Сравнение приложений

Сначала было протестировано влияние транзисторов из нитрида галлия и MOSFET-транзисторов из карбида кремния на эффективность преобразования на схеме коррекции коэффициента мощности с двухполюсным мостом в режиме непрерывного тока (CCM), показанной на рисунке 7. Условия тестирования приведены в таблице 3.      
      Таблица 3: Условия тестирования схемы PFC
В ходе испытаний для каждого силового ключа были протестированы два устройства с заданным сопротивлением в открытом состоянии. Для транзистора на основе нитрида галлия сопротивление RDS(on) составляло 35 мОм и 45 мОм соответственно, а для MOSFET на основе карбида кремния — 65 мОм и 80 мОм соответственно. Результаты испытаний показаны на рисунке 14. Поскольку потери при переключении силового ключа выше, чем потери проводимости при малой нагрузке, эффективность транзисторов на основе нитрида галлия значительно выше, чем у транзисторов на основе карбида кремния. При постепенном увеличении нагрузки потери проводимости составляют большую долю общих потерь, чем потери при переключении. В то же время, с увеличением нагрузки, повышается температура силового ключа. Согласно скорости изменения сопротивления в открытом состоянии в зависимости от температуры перехода на рисунке 13, видно, что сопротивление в открытом состоянии транзистора на основе карбида кремния увеличивается с температурой меньше. Следовательно, разница в эффективности между двумя силовыми переключателями при высоких температурах очень мала, хотя сопротивление в открытом состоянии транзистора из карбида кремния при 25 °C выше, чем у транзистора из нитрида галлия.      
      Рисунок 14: Кривая эффективности МОП-транзистора на основе карбида кремния и нитрида галлия на уровне коррекции коэффициента мощности.
Далее мы сравниваем рассчитанные КПД транзисторов на основе нитрида галлия и МОП-транзисторов на основе карбида кремния при различных рабочих частотах в схеме двухфазного чередующегося параллельного полумостового LLC-усилителя для выходной мощности 3 кВт. В расчете не учитывается влияние увеличения потерь в магнитных компонентах (включая резонансные индукторы и основные силовые индукторы), вызванного повышением частоты. Схема показана на рисунке 15. В качестве модели транзистора на основе нитрида галлия выбран IGOT60R070D1 (максимальное сопротивление RDS(on) при 25°C составляет 70 мОм), всего 8 штук. В качестве модели МОП-транзистора на основе карбида кремния выбран IMZA65R048M1H (максимальное сопротивление RDS(on) при 25°C составляет 64 мОм), всего 8 штук.      
      Рисунок 15: Схема двухфазной параллельной цепи LLC с чередующимся расположением проводов.
На рисунке 16 показано сравнение эффективности при 50% нагрузке (1500 Вт) и нормальной рабочей температуре. При низкой рабочей частоте (<100 кГц) эффективность транзисторов на основе нитрида галлия и MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния с аналогичным сопротивлением в открытом состоянии примерно одинакова, и оба типа транзисторов могут достигать очень высокой эффективности (>99.2%). При увеличении рабочей частоты до 300 кГц, благодаря очень малым паразитным параметрам, нитрид галлия имеет низкую долю потерь при переключении в общих потерях, поэтому его эффективность снижается очень незначительно (0.08%), в то время как эффективность MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния снижается на 0.58% (99.28%-98.7%). При повышении рабочей частоты до 500 кГц разница в эффективности между ними становится очень большой (1%). Конечно, если рассматривать реальную схему, учитывая, что увеличение частоты приведет к резкому увеличению потерь в магнитных компонентах, разница в эффективности между двумя вариантами будет не столь велика, но тенденция изменения эффективности будет одинаковой.      
      Рисунок 16: Сравнение эффективности двух силовых устройств на разных рабочих частотах.
             Рекомендации по применению MOSFET-транзисторов на основе нитрида галлия и карбида кремния.          

Согласно обсуждениям в главах 3 и 4, на основе транзисторов из нитрида галлия и МОП-транзисторов из карбида кремния компании Infineon Technologies Co., Ltd., рекомендации по применению этих двух широкозонных силовых полупроводников следующие:
(1) По некоторым причинам используемая система должна работать на частоте, превышающей 200 кГц. Транзисторы на основе нитрида галлия являются предпочтительным вариантом, за ними следуют МОП-транзисторы на основе карбида кремния. Если рабочая частота ниже 200 кГц, можно использовать оба типа;
(2) Применяемая система требует чрезвычайно высокой эффективности от малой нагрузки до половинной нагрузки. Транзисторы на основе нитрида галлия являются предпочтительным вариантом, за ними следуют МОП-транзисторы на основе карбида кремния;
(3) Если применяемая система имеет высокую максимальную рабочую температуру, затруднено рассеивание тепла или требуется чрезвычайно высокая эффективность при полной нагрузке, то МОП-транзисторы на основе карбида кремния являются предпочтительным выбором, за ними следуют транзисторы на основе нитрида галлия;
(4) Применяемая система имеет сильные шумовые помехи, особенно помехи от управления затвором. В качестве первого варианта используется MOSFET на основе карбида кремния, а в качестве второго — транзистор на основе нитрида галлия;
(5) Если применяемая система требует силового ключа с большой способностью к короткому замыканию, то MOSFET на основе карбида кремния является предпочтительным выбором;
(6) Для других систем применения, не предъявляющих особых требований, выбор продукта зависит от таких факторов, как метод рассеивания тепла, удельная мощность и знакомство проектировщика с ними.      
             Суммировать          

В данной статье представлено подробное описание структуры, характеристик, различий в производительности и предложений по применению широкозонных силовых полупроводников, появившихся в последние годы, а именно транзисторов на основе нитрида галлия и МОП-транзисторов на основе карбида кремния. Поскольку широкозонные силовые полупроводники обладают многими преимуществами, недоступными для полупроводников на основе кремния, промышленность все чаще их использует.      
     

По мере того, как отрасль будет лучше знакомиться с широкозонными силовыми полупроводниками и накапливать опыт их применения, их использование будет резко расти, что приведет к снижению цен на оба материала. Это, в свою очередь, будет способствовать более широкому использованию широкозонных силовых полупроводников, формируя замкнутый цикл. Поэтому для инженеров-электриков крайне важно как можно раньше освоить и использовать широкозонные силовые полупроводники, чтобы повысить конкурентоспособность своей продукции, улучшить ее узнаваемость и расширить собственные возможности. Я считаю, что эта статья имеет большое справочное значение для инженеров-электриков, желающих ознакомиться с широкозонными силовыми полупроводниками и научиться их использовать.

Отказ от ответственности: Данная статья перепечатана с сайта "TechSugar". Эта статья отражает только личное мнение автора и не представляет точку зрения компании Sacco Micro и отрасли в целом. Перепечатка и распространение предназначены исключительно для защиты прав интеллектуальной собственности. Пожалуйста, указывайте первоисточник и автора при перепечатке. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.