แกลเลียมไนไตรด์ทรานซิสเตอร์และซิลิกอนคาร์ไบด์MOSFET เป็นสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าที่กำลังได้รับความนิยมในช่วงสองถึงสามปีที่ผ่านมา เมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าซิลิคอนแบบดั้งเดิม MOSFET มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ เช่น ทนแรงดันได้สูง ความต้านทานขณะเปิดต่ำ ค่าพารามิเตอร์ปรสิตต่ำ เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่โดดเด่น คือ ค่าพารามิเตอร์ปรสิตที่ต่ำมากและความเร็วในการสวิตช์ที่เร็วมากของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานความถี่สูง ส่วน MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นขับเคลื่อนง่ายและมีความน่าเชื่อถือสูง ทำให้เหมาะสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประสิทธิภาพสูง

บทความนี้อ้างอิงจากผลิตภัณฑ์ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ของ Infineon และให้คำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้าง คุณลักษณะ และความแตกต่างในการใช้งานระหว่างทรานซิสเตอร์ทั้งสองชนิด      
ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นคู่แฝดที่ไม่มีใครเทียบได้ของสารกึ่งตัวนำกำลังรุ่นที่สาม กำลังดึงดูดความสนใจจากอุตสาหกรรมมากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิศวกรไฟฟ้า เหตุผลที่วิศวกรไฟฟ้าให้ความสนใจสารกึ่งตัวนำกำลังทั้งสองชนิดนี้มากก็เพราะวัสดุของพวกมันมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับวัสดุซิลิคอนแบบดั้งเดิม ดังแสดงในรูปที่ 1 ความกว้างของแถบพลังงานที่มากกว่าและความแข็งแรงของสนามวิกฤตที่สูงกว่าของวัสดุแกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ ทำให้สารกึ่งตัวนำกำลังที่ใช้สองวัสดุนี้มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น แรงดันไฟฟ้าทนสูง ความต้านทานขณะเปิดต่ำ และพารามิเตอร์ปรสิตน้อย เมื่อนำไปใช้ในด้านแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง จะมีข้อดีคือการสูญเสียต่ำ ความถี่ในการทำงานสูง และความน่าเชื่อถือสูง ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพ ความหนาแน่นของกำลัง และความน่าเชื่อถือของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้อย่างมาก      
          รูปที่ 1: การเปรียบเทียบคุณสมบัติที่สำคัญของซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ และแกลเลียมไนไตรด์
เนื่องจากคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมดังกล่าวข้างต้น ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงถูกนำมาใช้ในภาคอุตสาหกรรมมากขึ้นเรื่อยๆ และจะมีการใช้งานในวงกว้างขึ้นในอนาคต รูปที่ 2 แสดงขอบเขตการใช้งานและการคาดการณ์ยอดขายของสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าทั้งสองชนิดนี้จาก IHS Markit เมื่อขอบเขตการใช้งานขยายตัว ยอดขายของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน รูปที่ 3 คือการคาดการณ์ยอดขายของสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าทั้งสองชนิดนี้จาก IHS Markit      
      รูปที่ 2: ขอบเขตการใช้งานและการคาดการณ์ยอดขายของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์
      รูปที่ 3: การคาดการณ์ยอดขายทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์
ในบทที่ 2 ของบทความนี้ จะกล่าวถึงโครงสร้างและลักษณะเฉพาะของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์โดยละเอียด บทที่ 3 จะกล่าวถึงโครงสร้างและลักษณะเฉพาะของทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์โดยละเอียด ในบทที่ 4 จะทำการวิเคราะห์เปรียบเทียบการใช้งานของสารกึ่งตัวนำกำลังทั้งสองชนิดนี้ในวงจรเดียวกัน เพื่ออธิบายความเหมือนและความแตกต่างในการใช้งานให้ชัดเจนยิ่งขึ้น สุดท้ายนี้ จะเป็นการสรุปเนื้อหาทั้งหมดของบทความ      
             โครงสร้างและคุณลักษณะของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์          

โครงสร้างของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์

แตกต่างจากสารกึ่งตัวนำกำลังที่ทำจากซิลิคอน ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์นำไฟฟ้าผ่านก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติ (2DEG) ที่เกิดจากปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกของวัสดุสองชนิดที่มีช่องว่างพลังงานต่างกัน (โดยปกติคือ AlGaN และ GaN) ที่ส่วนต่อประสาน ดังแสดงในรูปที่ 4 เนื่องจากก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติจะนำไฟฟ้าเฉพาะอิเล็กตรอนที่มีความเข้มข้นสูงเท่านั้น จึงไม่มีปัญหาการรวมตัวของพาหะส่วนน้อย (เช่น การฟื้นตัวย้อนกลับของไดโอดตัวถัง) ของ MOSFET ซิลิคอน      
      รูปที่ 4: แผนภาพแสดงหลักการนำไฟฟ้าของแกลเลียมไนไตรด์
โครงสร้างของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์พื้นฐานที่แสดงในรูปที่ 4 เป็นทรานซิสเตอร์ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงแบบดีพลีชันโหมด (HEMT) ซึ่งหมายความว่าเมื่อไม่มีแรงดันไฟฟ้าจ่ายระหว่างเกตและซอร์ส (VGS=0V) เดรนของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และส่วนประกอบจะยังคงนำไฟฟ้าได้ นั่นคือเป็นอุปกรณ์แบบปกติเปิด (normally-on) ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากสวิตช์กำลัง MOSFET หรือ IGBT แบบปกติปิด (normally closed) แบบดั้งเดิม ซึ่งใช้งานได้ยากมากในงานอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง เพื่อแก้ปัญหานี้ อุตสาหกรรมมักมีสองวิธีแก้ปัญหา วิธีหนึ่งคือการใช้โครงสร้างแบบแคสเคด และอีกวิธีหนึ่งคือการเพิ่มแกลเลียมไนไตรด์ชนิด P เข้าไปที่เกตเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์แบบเสริมประสิทธิภาพ (ปกติปิด) โครงสร้างของทั้งสองแสดงในรูปที่ 5      
      รูปที่ 5: โครงสร้างของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์สองแบบ
ในโครงสร้างแบบเรียงซ้อนนี้ แกลเลียมไนไตรด์เป็นแกลเลียมไนไตรด์ชนิดดีพลีชั่นที่เรียงซ้อนกับซิลิคอน MOSFET แรงดันต่ำ ข้อดีของโครงสร้างนี้คือการขับเคลื่อนเหมือนกับซิลิคอน MOSFET แบบดั้งเดิม (เพราะมันขับเคลื่อนซิลิคอน MOSFET) อย่างไรก็ตาม โครงสร้างนี้ก็มีข้อเสียที่สำคัญเช่นกัน ประการแรก ซิลิคอน MOSFET มีไดโอดภายใน เมื่อแกลเลียมไนไตรด์นำกระแสในทิศทางย้อนกลับ จะเกิดปัญหาการฟื้นตัวย้อนกลับของไดโอดภายใน ประการที่สอง ขั้วเดรนของซิลิคอน MOSFET เชื่อมต่อกับขั้วซอร์สของแกลเลียมไนไตรด์ชนิดดีพลีชั่น ในระหว่างการเปิดและปิดของซิลิคอน MOSFET การสั่นระหว่างเดรนและซอร์สคือการสั่นระหว่างซอร์สและเกตของแกลเลียมไนไตรด์ เนื่องจากการสั่นนี้หลีกเลี่ยงไม่ได้ จึงมีความเป็นไปได้ที่ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์อาจถูกเปิดและปิดโดยไม่ได้ตั้งใจ สุดท้ายนี้ เนื่องจากอุปกรณ์ไฟฟ้าสองตัวถูกต่ออนุกรมเข้าด้วยกัน ความเป็นไปได้ในการลดความต้านทานขณะเปิดใช้งานของอุปกรณ์แกลเลียมไนไตรด์ทั้งหมดจึงมีจำกัด      
เนื่องจากปัญหาข้างต้นในโครงสร้างแบบเรียงลำดับ เทคโนโลยีหลักของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังจึงเป็นทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์แบบเพิ่มประสิทธิภาพ โดยยกตัวอย่างทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ CoolGaN ของบริษัท Infineon Technologies จำกัด ซึ่งแสดงโครงสร้างโดยละเอียดในรูปที่ 6      
      รูปที่ 6: แผนภาพโครงสร้างของ CoolGaN
ดังแสดงในรูปที่ 6 ผลิตภัณฑ์ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ในปัจจุบันในอุตสาหกรรมมีโครงสร้างแบบระนาบ กล่าวคือ แหล่งกำเนิด เกต และเดรน อยู่ในระนาบเดียวกัน ซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างแนวตั้งของซิลิคอน MOSFET ที่แสดงโดยเทคโนโลยี Super Junction โครงสร้าง p-GaN ใต้เกตก่อให้เกิดทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์แบบ enhancement mode ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ โครงสร้าง p-GaN อีกอันที่อยู่ถัดจากเดรนมีไว้เพื่อแก้ปัญหาการยุบตัวของกระแสไฟฟ้าที่มักเกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ วัสดุพื้นฐานของผลิตภัณฑ์ CoolGaN ของบริษัท Infineon Technologies จำกัด ใช้ซิลิคอน ซึ่งสามารถลดต้นทุนวัสดุของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ได้อย่างมาก เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุซิลิคอนและวัสดุแกลเลียมไนไตรด์แตกต่างกันมาก จึงมีการเพิ่มชั้นเปลี่ยนผ่านหลายชั้นระหว่างวัสดุพื้นฐานและ GaN เพื่อให้แน่ใจว่าทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์จะไม่ประสบปัญหาความล้มเหลว เช่น การหลุดลอกของเวเฟอร์ภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรง เช่น วงจรการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงและต่ำ และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงและต่ำอย่างฉับพลัน      
       

คุณลักษณะของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์

จากโครงสร้างที่แสดงในรูปที่ 6 นั้น CoolGaN มีลักษณะเฉพาะดังแสดงในตารางที่ 1 และมีข้อดีต่างๆ ดังต่อไปนี้      
      ตารางที่ 1: คุณลักษณะของ CoolGaN และข้อดีของมัน
จากคุณลักษณะที่แสดงในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ไม่มีไดโอดภายในตัว แต่ยังคงสามารถนำกระแสย้อนกลับได้ ดังนั้นจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรที่ต้องการการไหลของกระแสย้อนกลับของสวิตช์กำลังและจะมีการสลับแบบแข็ง เช่น วงจร PFC แบบไม่มีบริดจ์แบบโทเทมโพลในโหมดกระแสต่อเนื่อง (CCM) ซึ่งสามารถให้ความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพสูงมาก แผนภาพโครงสร้างวงจรแสดงในรูปที่ 7 ในรูป Q1 และ Q2 เป็นทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ และ Q3 และ Q4 เป็น MOSFET ซิลิคอน      
      รูปที่ 7: แผนภาพโครงร่างของวงจร PFC แบบ Totem Pole โดยใช้ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์
จากตารางที่ 1 เรายังสามารถทราบได้ว่าแกลเลียมไนไตรด์มีอัตราการสลับการทำงานที่รวดเร็วมากและมีการสูญเสียในการขับเคลื่อนน้อย จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานความถี่สูง แหล่งจ่ายไฟแบบสลับความถี่สูงที่ใช้ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์มีข้อดีคือมีความหนาแน่นของกำลังสูงและประสิทธิภาพสูง รูปที่ 8 แสดงตัวแปลง DC-DC แบบ LLC ขนาด 3.6 กิโลวัตต์ ความถี่เรโซแนนซ์ของ LLC คือ 350 กิโลเฮิร์ตซ์ ความหนาแน่นของกำลังของตัวแปลงสูงถึง 160 วัตต์/ลูกบาศก์นิ้ว และประสิทธิภาพสูงสุดเกิน 98%      
      รูปที่ 8: วงจรแปลงไฟ LLC ขนาด 3.6 กิโลวัตต์ โดยใช้ CoolGaN
จากการวิเคราะห์ข้างต้น จะเห็นได้ว่าทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์เหมาะสำหรับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง ความถี่สูง และความหนาแน่นกำลังสูง      
             โครงสร้างและคุณลักษณะของ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์          

โครงสร้างของ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์

โครงสร้างของ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบระนาบทั่วไปแสดงในรูปที่ 9 เพื่อลดความต้านทานของช่องสัญญาณ โครงสร้างนี้มักถูกออกแบบโดยใช้ชั้นออกไซด์ของเกตที่บางมาก ซึ่งทำให้เกิดความเสี่ยงด้านความน่าเชื่อถือต่อชั้นออกไซด์ของเกตที่แรงดันอินพุตเกตสูงขึ้น เพื่อแก้ปัญหานี้ ผลิตภัณฑ์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ CoolSiC จึงใช้โครงสร้างเกตที่แตกต่างออกไป ซึ่งเรียกว่า MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบร่อง โครงสร้างเกตของมันแสดงในรูปที่ 10 หลังจากใช้โครงสร้างนี้แล้ว ความต้านทานของช่องสัญญาณของ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์จะไม่เกี่ยวข้องกับชั้นออกไซด์ของเกตอย่างแน่นหนาอีกต่อไป ดังนั้นความต้านทานขณะเปิดจึงยังคงต่ำมากในขณะที่ยังคงรักษาความน่าเชื่อถือและความเป็นไปได้ของเกตไว้ได้สูง      
      รูปที่ 9: แผนภาพโครงสร้างของ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์แบบระนาบ
      รูปที่ 10: โครงสร้างเกตแบบร่องลึก CoolSiC
       

คุณลักษณะของ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์

เช่นเดียวกับทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ก็มีคุณสมบัติความต้านทานขณะเปิดต่ำและพารามิเตอร์ปรสิตต่ำเช่นกัน นอกจากนี้ คุณลักษณะของไดโอดภายในตัวยังได้รับการปรับปรุงอย่างมากเมื่อเทียบกับ MOSFET ซิลิคอน รูปที่ 11 แสดงการเปรียบเทียบตัวชี้วัดหลักสองตัวคือ RDS(on)*Qrr และ RDS(on)*Qoss ของ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ทนแรงดัน 650V รุ่น CoolSiC ของ Infineon และ CoolMOS CFD7 ซึ่งเป็น MOSFET กำลังสูงซิลิคอนที่มีประสิทธิภาพของไดโอดภายในตัวดีที่สุดในอุตสาหกรรม ตัวแรกเป็นตัวชี้วัดคุณลักษณะการฟื้นตัวย้อนกลับของไดโอดภายในตัว และตัวหลังเป็นตัวชี้วัดปริมาณประจุที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเอาต์พุตของ MOSFET ยิ่งค่าของทั้งสองรายการนี้มีค่าน้อยเท่าใด คุณลักษณะการฟื้นตัวย้อนกลับก็จะยิ่งดีขึ้น และประจุที่เก็บไว้ก็จะยิ่งน้อยลง (ในโทโพโลยีการสวิตช์แบบนุ่มนวล โซนตายที่ต้องการสำหรับท่อกำลังบนและล่างของโครงสร้างฮาล์ฟบริดจ์ก็จะยิ่งสั้นลง) จะเห็นได้ว่า เมื่อเปรียบเทียบกับ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนที่มีความต้านทานขณะเปิดใกล้เคียงกัน ประจุการฟื้นตัวย้อนกลับของ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์มีเพียงประมาณ 1/6 และประจุบนตัวเก็บประจุเอาต์พุตมีเพียงประมาณ 1/5 ดังนั้น MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์จึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับวงจรที่ไดโอดภายในจะถูกปิดอย่างถาวร (เช่น PFC แบบไม่มีบริดจ์แบบโทเทมโพลในโหมดกระแสต่อเนื่อง) และวงจรแบบสวิตช์อ่อน (LLC, ฟูลบริดจ์แบบเปลี่ยนเฟส ฯลฯ)      
MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ยังมีคุณสมบัติที่โดดเด่นอีกอย่างหนึ่งคือ ความสามารถในการทนต่อการลัดวงจร เมื่อเทียบกับ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนแล้ว เวลาในการทนต่อการลัดวงจรจะดีขึ้นอย่างมาก ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับงานขับเคลื่อนมอเตอร์ เช่น อินเวอร์เตอร์ รูปที่ 12 แสดงแผนภูมิเปรียบเทียบความสามารถในการทนต่อการลัดวงจรของ CoolSiC และ CoolMOS จะเห็นได้จากรูปว่า CoolSiC มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น เวลาในการทนต่อการลัดวงจรที่ยาวนานและกระแสลัดวงจรที่ต่ำ และความน่าเชื่อถือภายใต้สภาวะการลัดวงจรก็ดีขึ้นอย่างมาก      
      รูปที่ 11: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์และ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอน
      รูปที่ 12: การเปรียบเทียบความสามารถในการลัดวงจรของ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์
บทที่ 3 แนะนำโครงสร้างและลักษณะเฉพาะของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ ต่อไปนี้จะเปรียบเทียบพารามิเตอร์และวงจรจริงระหว่างทรานซิสเตอร์ทั้งสองชนิด      
             การเปรียบเทียบ MOSFET ที่ทำจากแกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์          

การเปรียบเทียบพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า

ตารางที่ 2 แสดงทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ CoolGaN และทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ CoolSiC โดยเปรียบเทียบพารามิเตอร์หลักของสารกึ่งตัวนำกำลังทั้งสองชนิด      
      ตารางที่ 2: การเปรียบเทียบพารามิเตอร์สำคัญของ MOSFET CoolGaN และซิลิคอนคาร์ไบด์ CoolSiC
จากตารางที่ 2 เราจะเห็นว่าพารามิเตอร์ไดนามิกของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ต่ำกว่าของทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ ดังนั้น การสูญเสียการสวิตช์ของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์จึงต่ำกว่าของทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ และข้อดีของมันจะชัดเจนยิ่งขึ้นที่ความถี่การทำงานสูง เมื่อกระแสไหลในทิศทางตรงกันข้าม (จากแหล่งกำเนิดไปยังเดรน) แรงดันตกคร่อมของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์จะสัมพันธ์กับแรงดันขับเกตถึงแหล่งกำเนิด ค่าใดสูงกว่าและค่าใดต่ำกว่านั้นจำเป็นต้องเปรียบเทียบตามสถานการณ์การใช้งาน สำหรับแรงดันเกณฑ์สุดท้าย Vgs(th) ค่าของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์นั้นเล็กมาก ซึ่งหมายความว่าต้องให้ความสำคัญอย่างมากกับการออกแบบวงจรขับของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ หากมีสัญญาณรบกวนที่เกตมาก อาจทำให้ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์เปิดทำงานโดยไม่ตั้งใจ ในขณะเดียวกัน CoolGaN เป็นโหมดขับแบบกระแส ซึ่งแตกต่างจากโหมดขับแบบแรงดันแบบดั้งเดิม แรงดันเกณฑ์ของทรานซิสเตอร์ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นสูงกว่ามาก และข้อกำหนดในการขับนั้นใกล้เคียงกับการขับ IGBT มาก      
รูปที่ 13 แสดงการเปรียบเทียบพารามิเตอร์สำคัญอีกตัวหนึ่ง นั่นคือ อัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานขณะเปิด (RDS(on)) กับอุณหภูมิ เป็นที่ทราบกันดีว่าค่าความต้านทานขณะเปิดของสวิตช์สารกึ่งตัวนำกำลังมีสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก กล่าวคือ ยิ่งอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อสูงขึ้น ค่าความต้านทานขณะเปิดก็จะยิ่งมากขึ้น จากรูปที่ 13 จะเห็นได้ว่าสัมประสิทธิ์การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นน้อยกว่าของทรานซิสเตอร์ที่ทำจากซิลิคอนไนไตรด์และ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนมาก เมื่ออุณหภูมิของจุดเชื่อมต่ออยู่ที่ 100°C ความแตกต่างจะอยู่ที่ 30% และ 50% ตามลำดับ จากรูปที่ 13 จะเห็นได้ว่า หากสมมติว่าค่าความต้านทานขณะเปิด (on-resistance) ของทรานซิสเตอร์ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์และทรานซิสเตอร์ที่ทำจากแกลเลียมไนไตรด์มีค่าเท่ากันที่อุณหภูมิรอยต่อ 25°C ในวงจรใช้งานเดียวกัน นั่นหมายความว่าการสูญเสียจากการนำไฟฟ้า (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) ของทั้งสองมีค่าเท่ากัน แต่เมื่ออุณหภูมิรอยต่อของทั้งสองเพิ่มขึ้นเป็น 100°C การสูญเสียจากการนำไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์จะมีค่าเพียง 70% ของทรานซิสเตอร์ที่ทำจากซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่น่าสนใจมากสำหรับสถานการณ์การใช้งานที่ต้องการสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและประสิทธิภาพสูงที่อุณหภูมิสูง      
      รูปที่ 13: กราฟความต้านทานขณะเปิดใช้งานของทรานซิสเตอร์ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ และทรานซิสเตอร์ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอน โดยแสดงเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิรอยต่อ
       

การเปรียบเทียบแอปพลิเคชัน

ขั้นแรก ได้ทำการทดสอบผลกระทบของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานในวงจร PFC แบบไม่มีบริดจ์รูปทรงเสาโทเทมในโหมดกระแสต่อเนื่อง (CCM) ดังแสดงในรูปที่ 7 โดยมีเงื่อนไขการทดสอบแสดงในตารางที่ 3      
      ตารางที่ 3: เงื่อนไขการทดสอบวงจร PFC
ในการทดสอบ อุปกรณ์ที่มีความต้านทานขณะเปิดสองตัวถูกทดสอบสำหรับสวิตช์กำลังแต่ละตัว สำหรับทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ ค่า RDS(on) คือ 35 มิลลิโอห์มและ 45 มิลลิโอห์ม ตามลำดับ และสำหรับ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ ค่าคือ 65 มิลลิโอห์มและ 80 มิลลิโอห์ม ตามลำดับ ผลการทดสอบแสดงในรูปที่ 14 เนื่องจากความสูญเสียจากการสวิตช์ของสวิตช์กำลังสูงกว่าความสูญเสียจากการนำกระแสภายใต้สภาวะโหลดเบา ประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์จึงสูงกว่าทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์อย่างมาก เมื่อโหลดค่อยๆ เพิ่มขึ้น ความสูญเสียจากการนำกระแสจะมีสัดส่วนที่สูงกว่าความสูญเสียจากการสวิตช์เมื่อเทียบกับความสูญเสียทั้งหมด ในขณะเดียวกัน เมื่อโหลดเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของสวิตช์กำลังก็จะเพิ่มขึ้นด้วย จากอัตราการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานขณะเปิดกับอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อในรูปที่ 13 จะเห็นได้ว่าความต้านทานขณะเปิดของทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์เพิ่มขึ้นน้อยกว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ดังนั้น ความแตกต่างของประสิทธิภาพระหว่างสวิตช์กำลังทั้งสองชนิดที่อุณหภูมิสูงจึงมีน้อยมาก แม้ว่าค่าความต้านทานขณะเปิดของทรานซิสเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ 25°C จะสูงกว่าของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ก็ตาม      
      รูปที่ 14: เส้นโค้งประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์ที่ระดับ PFC
ต่อไป เราจะเปรียบเทียบประสิทธิภาพที่คำนวณได้ของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ความถี่การทำงานต่างๆ ในวงจรแบบ LLC ฮาล์ฟบริดจ์ขนานแบบสองเฟสสลับกัน สำหรับกำลังเอาต์พุต 3 กิโลวัตต์ การคำนวณนี้ละเลยผลกระทบของการสูญเสียที่เพิ่มขึ้นในส่วนประกอบแม่เหล็ก (รวมถึงตัวเหนี่ยวนำเรโซแนนซ์และตัวเหนี่ยวนำกำลังหลัก) ที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นของความถี่ วงจรแสดงในรูปที่ 15 รุ่นของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์ที่เลือกใช้คือ IGOT60R070D1 (ค่า RDS(on) สูงสุดที่ 25°C คือ 70 มิลลิโอห์ม) จำนวน 8 ชิ้น รุ่นของ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เลือกใช้คือ IMZA65R048M1H (ค่า RDS(on) สูงสุดที่ 25°C คือ 64 มิลลิโอห์ม) จำนวน 8 ชิ้น      
      รูปที่ 15: แผนภาพแสดงวงจร LLC แบบขนานสลับสองเฟส
ภายใต้โหลด 50% (1500 วัตต์) และสภาพแวดล้อมการทำงานที่อุณหภูมิปกติ การเปรียบเทียบประสิทธิภาพภายใต้ความถี่การทำงานที่แตกต่างกันแสดงในรูปที่ 16 เมื่อความถี่การทำงานต่ำ (<100 kHz) ประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความต้านทานขณะเปิดใกล้เคียงกันนั้นใกล้เคียงกัน และทั้งสองชนิดสามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงมาก (>99.2%) เมื่อความถี่การทำงานเพิ่มขึ้นเป็น 300 kHz เนื่องจากพารามิเตอร์ปรสิตที่เล็กมาก แกลเลียมไนไตรด์จึงมีสัดส่วนการสูญเสียจากการสวิตช์ต่อการสูญเสียทั้งหมดต่ำ ดังนั้นประสิทธิภาพจึงลดลงเพียงเล็กน้อย (0.08%) ในขณะที่ประสิทธิภาพของ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์จะลดลง 0.58% (99.28%-98.7%) เมื่อความถี่การทำงานเพิ่มขึ้นเป็น 500 kHz ช่องว่างประสิทธิภาพระหว่างทั้งสองชนิดจะกว้างมาก (1%) แน่นอนว่า หากพิจารณาในวงจรจริง การเพิ่มความถี่จะทำให้การสูญเสียของส่วนประกอบแม่เหล็กเพิ่มขึ้นอย่างมาก ความแตกต่างของประสิทธิภาพระหว่างทั้งสองจะไม่มากนัก แต่แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพจะเหมือนกัน      
      รูปที่ 16: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้าสองชนิดที่ความถี่ในการทำงานต่างกัน
             คำแนะนำสำหรับการใช้งาน MOSFET ที่ทำจากแกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์          

จากการอภิปรายในบทที่ 3 และ 4 โดยอ้างอิงจากผลิตภัณฑ์ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ของบริษัท Infineon Technologies จำกัด ข้อแนะนำในการใช้งานสำหรับสารกึ่งตัวนำกำลังแบบแบนด์แกปกว้างทั้งสองชนิดนี้ มีดังต่อไปนี้:
(1) ด้วยเหตุผลบางประการ ระบบที่ใช้จะต้องทำงานที่ความถี่เกิน 200KHz ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์เป็นตัวเลือกแรก ตามด้วย MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ หากความถี่ในการทำงานต่ำกว่า 200KHz สามารถใช้ได้ทั้งสองแบบ
(2) ระบบที่ใช้ต้องการประสิทธิภาพสูงมากตั้งแต่โหลดเบาไปจนถึงโหลดครึ่งหนึ่ง ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์เป็นตัวเลือกแรก ตามด้วย MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์
(3) หากระบบที่ใช้มีอุณหภูมิการทำงานสูงสุดสูง มีปัญหาในการระบายความร้อน หรือต้องการประสิทธิภาพสูงมากที่โหลดเต็ม MOSFET ที่ทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์จะเป็นตัวเลือกแรก ตามด้วยทรานซิสเตอร์ที่ทำจากแกลเลียมไนไตรด์
(4) ระบบที่ใช้มีการรบกวนของสัญญาณรบกวนมาก โดยเฉพาะการรบกวนของไดรฟ์เกต MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นตัวเลือกแรก และทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์เป็นตัวเลือกที่สอง
(5) หากระบบที่ใช้ต้องการสวิตช์กำลังที่มีความสามารถในการลัดวงจรสูง MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ถือเป็นตัวเลือกแรก
(6) สำหรับระบบการใช้งานอื่นๆ ที่ไม่มีข้อกำหนดพิเศษ การเลือกผลิตภัณฑ์ใดขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น วิธีการระบายความร้อน ความหนาแน่นของพลังงาน และความคุ้นเคยของผู้ออกแบบกับทั้งสองอย่าง      
             สรุป          

บทความนี้ให้ข้อมูลเบื้องต้นโดยละเอียดเกี่ยวกับโครงสร้าง คุณลักษณะ ความแตกต่างด้านประสิทธิภาพ และข้อเสนอแนะในการใช้งานของสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าแบบแบนด์แก็ปขนาดกว้างที่เกิดขึ้นใหม่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้แก่ ทรานซิสเตอร์แกลเลียมไนไตรด์และ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์ เนื่องจากสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าแบบแบนด์แก็ปขนาดกว้างมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพหลายประการที่สารกึ่งตัวนำวัสดุซิลิคอนไม่สามารถเทียบได้ อุตสาหกรรมจึงนำมาใช้งานเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ      
     

เมื่ออุตสาหกรรมมีความคุ้นเคยและมีประสบการณ์ในการใช้งานมากขึ้น การใช้งานทั้งสองอย่างจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้ราคาของทั้งสองอย่างลดลง และในทางกลับกันก็จะส่งเสริมให้มีการใช้สารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าแบบแบนด์แกปกว้างมากขึ้น ก่อให้เกิดวงจรที่ดี ดังนั้น จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับวิศวกรไฟฟ้าที่จะต้องเรียนรู้และใช้งานสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าแบบแบนด์แกปกว้างให้เร็วที่สุด เพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ ปรับปรุงการมองเห็นผลิตภัณฑ์ และพัฒนาศักยภาพของตนเอง ผมเชื่อว่าบทความนี้มีประโยชน์และมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับวิศวกรไฟฟ้าในการทำความคุ้นเคยและใช้งานสารกึ่งตัวนำกำลังไฟฟ้าแบบแบนด์แกปกว้าง

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้พิมพ์ซ้ำจาก "TechSugar" บทความนี้เป็นเพียงความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียนเท่านั้น และไม่ได้แสดงถึงความคิดเห็นของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม การพิมพ์ซ้ำและการเผยแพร่มีจุดประสงค์เพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับก่อนพิมพ์ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

หมายเลขโทรศัพท์ของบริษัท: +86-0755-83044319
โทรสาร: +86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่

QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว

ที่อยู่: ห้อง 809 อาคาร C อาคารเทคโนโลยีจ้านเทา เลขที่ 1079 ถนนหมินจือ เขตหลงหัวใหม่ เมืองเซินเจิ้น