Đường dây nóng Dịch vụ
gali nitridebóng bán dẫn vàcacbua silicMOSFET là một loại bán dẫn công suất mới nổi trong hai hoặc ba năm gần đây. So với các bán dẫn công suất silicon truyền thống, chúng có nhiều đặc điểm vượt trội: điện áp chịu đựng cao, điện trở bật nhỏ, thông số ký sinh nhỏ, v.v. Chúng cũng có những đặc điểm độc đáo riêng: thông số ký sinh cực nhỏ và tốc độ chuyển mạch cực nhanh của transistor gallium nitride khiến chúng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng tần số cao. Khả năng điều khiển dễ dàng và độ tin cậy cao của MOSFET silicon carbide làm cho nó phù hợp với các bộ nguồn chuyển mạch hiệu suất cao.
Bài viết này dựa trên các sản phẩm transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide của Infineon, cung cấp giới thiệu chi tiết về cấu trúc, đặc tính và sự khác biệt trong ứng dụng giữa hai loại này.
Là hai sản phẩm song sinh không gì sánh bằng của thế hệ bán dẫn công suất thứ ba, transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide ngày càng thu hút sự chú ý của ngành công nghiệp, đặc biệt là các kỹ sư điện. Lý do các kỹ sư điện dành nhiều sự quan tâm đến hai loại bán dẫn công suất này là vì vật liệu của chúng có nhiều ưu điểm so với vật liệu silicon truyền thống, như thể hiện trong Hình 1. Độ rộng vùng cấm lớn hơn và cường độ điện trường tới hạn cao hơn của vật liệu gallium nitride và silicon carbide làm cho các bán dẫn công suất dựa trên hai vật liệu này có các đặc tính tuyệt vời như điện áp chịu đựng cao, điện trở bật thấp và các thông số ký sinh nhỏ. Khi được sử dụng trong lĩnh vực nguồn điện chuyển mạch, chúng có ưu điểm là tổn hao thấp, tần số hoạt động cao và độ tin cậy cao, có thể cải thiện đáng kể hiệu suất, mật độ công suất và độ tin cậy của nguồn điện chuyển mạch.
Hình 1: So sánh các đặc tính chính của silic, silic cacbua và gali nitruaNhờ những đặc tính vượt trội nêu trên, các transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp và sẽ được ứng dụng trên quy mô lớn hơn. Hình 2 thể hiện các lĩnh vực ứng dụng và dự báo doanh số của hai loại bán dẫn công suất này do IHS Markit cung cấp. Khi các lĩnh vực ứng dụng mở rộng, doanh số của các transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide cũng sẽ tăng lên đáng kể. Hình 3 là dự báo doanh số của hai loại bán dẫn công suất này do IHS Markit cung cấp.
Hình 2: Lĩnh vực ứng dụng và dự báo doanh số bán hàng của transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide
Hình 3: Dự báo doanh số bán hàng của transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbideChương 2 của bài viết này sẽ giới thiệu chi tiết về cấu trúc và đặc tính của transistor gallium nitride. Chương 3 sẽ giới thiệu chi tiết về cấu trúc và đặc tính của MOSFET silicon carbide. Chương 4 sẽ tiến hành phân tích so sánh việc sử dụng hai loại bán dẫn công suất này trong cùng một mạch để làm rõ hơn những điểm tương đồng và khác biệt trong ứng dụng của chúng. Cuối cùng, toàn văn sẽ được tóm tắt.
Cấu trúc và đặc tính của transistor gallium nitride
Cấu trúc của transistor gali nitrua
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý dẫn điện của gali nitruaCấu trúc của transistor gallium nitride cơ bản được thể hiện trong Hình 4 là một transistor có độ linh động điện tử cao (HEMT) ở chế độ suy giảm, có nghĩa là khi không có điện áp đặt vào giữa cực cổng và cực nguồn (VGS=0V), cực thoát của transistor gallium nitride và linh kiện đều dẫn điện, tức là nó là một thiết bị thường bật. Điều này hoàn toàn khác với các công tắc nguồn MOSFET hoặc IGBT thường đóng truyền thống, rất khó sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực nguồn điện chuyển mạch. Để giải quyết vấn đề này, ngành công nghiệp thường có hai giải pháp. Một là sử dụng cấu trúc cascode, và giải pháp còn lại là thêm gallium nitride loại P vào cực cổng để tạo thành transistor ở chế độ tăng cường (thường đóng). Cấu trúc của hai loại này được thể hiện trong Hình 5.
Hình 5: Hai cấu trúc của transistor gallium nitrideTrong cấu trúc tầng, gallium nitride là gallium nitride kiểu suy giảm được ghép nối với một MOSFET silicon điện áp thấp. Ưu điểm của cấu trúc này là khả năng điều khiển hoàn toàn giống với MOSFET silicon truyền thống (vì nó điều khiển MOSFET silicon). Tuy nhiên, cấu trúc này cũng có những nhược điểm lớn. Thứ nhất, MOSFET silicon có một diode thân. Khi gallium nitride dẫn dòng điện ngược chiều, sẽ xảy ra vấn đề phục hồi ngược của diode thân. Thứ hai, cực thoát của MOSFET silicon được nối với cực nguồn của gallium nitride kiểu suy giảm. Trong quá trình bật và tắt của MOSFET silicon, dao động giữa cực thoát và cực nguồn chính là dao động giữa cực nguồn và cực cổng của gallium nitride. Vì dao động này là không thể tránh khỏi, nên có khả năng transistor gallium nitride có thể bị bật và tắt nhầm. Cuối cùng, vì hai thiết bị công suất được ghép nối với nhau, khả năng giảm thêm điện trở bật của toàn bộ thiết bị gallium nitride bị hạn chế.
Do những vấn đề nêu trên trong cấu trúc tầng, công nghệ chủ đạo của transistor gallium nitride trong ngành công nghiệp bán dẫn công suất là transistor gallium nitride chế độ tăng cường. Lấy transistor gallium nitride CoolGaN của Infineon Technologies Co., Ltd. làm ví dụ, cấu trúc chi tiết của nó được thể hiện trong Hình 6.
Hình 6: Sơ đồ cấu trúc CoolGaNNhư thể hiện trong Hình 6, các sản phẩm transistor gallium nitride hiện nay trong ngành có cấu trúc phẳng, nghĩa là cực nguồn, cực cổng và cực thoát nằm trên cùng một mặt phẳng, khác với cấu trúc thẳng đứng của MOSFET silicon được thể hiện bởi công nghệ Super Junction. Cấu trúc P-GaN bên dưới cực cổng tạo thành transistor gallium nitride chế độ tăng cường đã được mô tả trước đó. Một cấu trúc p-GaN khác bên cạnh cực thoát nhằm giải quyết vấn đề sụt giảm dòng điện thường xảy ra trong các transistor gallium nitride. Chất nền của các sản phẩm CoolGaN của Infineon Technologies Co., Ltd. sử dụng vật liệu silicon, giúp giảm đáng kể chi phí vật liệu của transistor gallium nitride. Vì hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu silicon và vật liệu gallium nitride rất khác nhau, nên nhiều lớp chuyển tiếp được thêm vào giữa chất nền và GaN để đảm bảo transistor gallium nitride sẽ không gặp phải các vấn đề hỏng hóc như bong tróc tấm wafer trong điều kiện làm việc khắc nghiệt như chu kỳ nhiệt độ cao và thấp và sốc nhiệt độ cao và thấp.
Đặc tính của transistor gallium nitride
Bảng 1: Đặc điểm của CoolGaN và những ưu điểm của nóTừ các đặc tính được thể hiện trong Bảng 1, có thể thấy rằng các transistor gallium nitride không có diode thân nhưng vẫn có thể dẫn dòng điện ngược, do đó chúng rất phù hợp cho các mạch yêu cầu dòng điện ngược của công tắc nguồn và sẽ là chuyển mạch cứng, chẳng hạn như PFC không cầu totem pole ở chế độ dòng điện liên tục (CCM), có thể đạt được độ tin cậy và hiệu quả cực cao. Sơ đồ cấu trúc mạch được thể hiện trong Hình 7. Trong hình, Q1 và Q2 là các transistor gallium nitride, và Q3 và Q4 là các MOSFET silicon.
Hình 7: Sơ đồ cấu trúc mạch PFC kiểu totem pole sử dụng transistor gallium nitrideTừ Bảng 1, ta cũng có thể biết rằng gallium nitride có tốc độ chuyển mạch cực nhanh và tổn hao dẫn động nhỏ, do đó rất phù hợp cho các ứng dụng tần số cao. Nguồn điện chuyển mạch tần số cao sử dụng transistor gallium nitride có ưu điểm là mật độ công suất cao và hiệu suất cao. Hình 8 thể hiện bộ chuyển đổi DC-DC cấu trúc LLC 3.6KW. Tần số cộng hưởng của LLC là 350KHz. Mật độ công suất của bộ chuyển đổi đạt 160W/in^3 và hiệu suất tối đa vượt quá 98%.
Hình 8: Mạch chuyển đổi LLC 3.6KW sử dụng CoolGaNTừ phân tích trên, có thể thấy rằng transistor gallium nitride phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao, tần số cao và mật độ công suất cao.
Cấu trúc và đặc tính của MOSFET silicon carbide
Cấu trúc của MOSFET silicon carbide
Hình 9: Sơ đồ cấu trúc của MOSFET silicon carbide phẳng
Hình 10: Cấu trúc cổng rãnh CoolSiCĐặc tính của MOSFET silicon carbide
MOSFET silicon carbide cũng có một đặc tính nổi bật: khả năng chịu ngắn mạch. So với MOSFET silicon, thời gian ngắn mạch được cải thiện đáng kể, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng điều khiển động cơ như biến tần. Hình 12 cho thấy biểu đồ so sánh khả năng chịu ngắn mạch của CoolSiC và CoolMOS. Có thể thấy từ hình vẽ rằng CoolSiC đạt được các đặc tính tuyệt vời như thời gian ngắn mạch dài và dòng ngắn mạch nhỏ, và độ tin cậy của nó trong điều kiện ngắn mạch được cải thiện đáng kể.
Hình 11: So sánh hiệu năng của MOSFET silicon carbide và MOSFET silicon
Hình 12: So sánh khả năng chịu ngắn mạch của MOSFET silicon carbideChương 3 giới thiệu cấu trúc và đặc điểm tương ứng của transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide. Phần tiếp theo sẽ so sánh các thông số và mạch thực tế giữa hai loại này.
So sánh MOSFET Gallium Nitride và Silicon Carbide
So sánh thông số điện
Bảng 2: So sánh các thông số chính của MOSFET CoolGaN và MOSFET silicon carbide CoolSiCTừ Bảng 2, ta có thể thấy rằng các thông số động của transistor gallium nitride thấp hơn so với MOSFET silicon carbide. Do đó, tổn thất chuyển mạch của transistor gallium nitride thấp hơn so với MOSFET silicon carbide, và ưu điểm của chúng sẽ rõ ràng hơn ở tần số hoạt động cao. Khi dòng điện chảy theo hướng ngược lại (từ nguồn đến cực thoát), điện áp rơi của transistor gallium nitride có liên quan đến điện áp điều khiển cổng-nguồn của nó. Cần so sánh xem điện áp nào cao hơn và điện áp nào thấp hơn tùy thuộc vào tình huống ứng dụng. Đối với điện áp ngưỡng cuối cùng Vgs(th), giá trị của transistor gallium nitride rất nhỏ, điều này có nghĩa là cần phải hết sức chú ý đến thiết kế điều khiển của transistor gallium nitride. Nếu nhiễu trên cổng lớn, nó có thể khiến transistor gallium nitride bị bật ngoài ý muốn. Đồng thời, CoolGaN là chế độ điều khiển kiểu dòng điện, khác với chế độ điều khiển kiểu điện áp truyền thống. Điện áp ngưỡng của MOSFET silicon carbide cao hơn nhiều, và yêu cầu điều khiển của nó rất gần với yêu cầu điều khiển của IGBT.
Hình 13 so sánh một thông số quan trọng khác, đó là tốc độ thay đổi của điện trở bật RDS(on) theo nhiệt độ. Ai cũng biết rằng điện trở bật của các công tắc bán dẫn công suất có hệ số nhiệt độ dương, nghĩa là nhiệt độ mối nối càng cao thì điện trở bật càng lớn. Có thể thấy từ Hình 13 rằng hệ số tăng nhiệt độ của MOSFET silicon carbide nhỏ hơn nhiều so với transistor silicon nitride và MOSFET silicon. Khi nhiệt độ mối nối là 100°C, sự khác biệt đã đạt 30% và 50%. Theo Hình 13, có thể thấy rằng giả sử điện trở bật của MOSFET silicon carbide và transistor gallium nitride là như nhau ở nhiệt độ mối nối 25°C, trong cùng một mạch ứng dụng, điều đó có nghĩa là tổn hao dẫn điện của cả hai (〖I_Drms〗^2*R_(DS(on))) là như nhau, nhưng khi nhiệt độ mối nối của cả hai tăng lên 100°C, tổn hao dẫn điện của MOSFET silicon carbide chỉ bằng 70% so với transistor silicon nitride, điều này rất hấp dẫn đối với các kịch bản ứng dụng có yêu cầu môi trường khắc nghiệt và hiệu suất cao ở nhiệt độ cao.
Hình 13: Đường cong điện trở bật của MOSFET silicon carbide, transistor gallium nitride và MOSFET silicon theo nhiệt độ mối nốiSo sánh ứng dụng
Bảng 3: Điều kiện thử nghiệm mạch PFCTrong thí nghiệm, hai thiết bị có điện trở bật được thử nghiệm cho mỗi công tắc nguồn. Đối với transistor gallium nitride, RDS(on) lần lượt là 35mΩ và 45mΩ, và MOSFET silicon carbide lần lượt là 65mΩ và 80mΩ. Kết quả thử nghiệm được thể hiện trong Hình 14. Do tổn hao chuyển mạch của công tắc nguồn cao hơn tổn hao dẫn điện trong điều kiện tải nhẹ, hiệu suất của transistor gallium nitride cao hơn đáng kể so với transistor silicon carbide. Khi tải tăng dần, tổn hao dẫn điện chiếm tỷ lệ cao hơn trong tổng tổn hao so với tổn hao chuyển mạch. Đồng thời, khi tải tăng, nhiệt độ của công tắc nguồn cũng tăng lên. Theo tốc độ thay đổi của điện trở bật theo nhiệt độ mối nối trong Hình 13, có thể thấy rằng điện trở bật của transistor silicon carbide tăng ít hơn khi nhiệt độ tăng. Do đó, sự khác biệt về hiệu suất giữa hai công tắc nguồn ở nhiệt độ cao là rất nhỏ, mặc dù điện trở bật của transistor silicon carbide ở 25°C cao hơn so với transistor gallium nitride.
Hình 14: Đường cong hiệu suất của MOSFET silicon carbide và transistor gallium nitride ở mức PFCTiếp theo, chúng ta so sánh hiệu suất tính toán của các transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide ở các tần số hoạt động khác nhau trong cấu trúc mạch LLC bán cầu song song xen kẽ hai pha cho công suất đầu ra 3KW. Phép tính bỏ qua ảnh hưởng của sự gia tăng tổn hao trong các thành phần từ tính (bao gồm cuộn cảm cộng hưởng và cuộn cảm nguồn chính) do tăng tần số. Cấu trúc mạch được thể hiện trong Hình 15. Mẫu transistor gallium nitride được chọn là IGOT60R070D1 (điện trở RDS(on) tối đa ở 25°C là 70mohm), với tổng số 8 chiếc. Mẫu MOSFET silicon carbide được chọn là IMZA65R048M1H (điện trở RDS(on) tối đa ở 25°C là 64mohm), với tổng số 8 chiếc.
Hình 15: Sơ đồ mạch LLC song song so le hai phaDưới tải 50% (1500W) và môi trường làm việc ở nhiệt độ bình thường, sự so sánh hiệu suất ở các tần số hoạt động khác nhau được thể hiện trong Hình 16. Khi tần số hoạt động thấp (<100kHz), hiệu suất của việc sử dụng transistor gallium nitride và MOSFET silicon carbide có điện trở bật tương tự là tương đương nhau, và cả hai đều có thể đạt hiệu suất rất cao (>99.2%). Khi tần số hoạt động tăng lên 300kHz, do các thông số ký sinh rất nhỏ, gallium nitride có tỷ lệ tổn thất chuyển mạch thấp trong tổng tổn thất, do đó hiệu suất của nó giảm rất ít (0.08%), trong khi hiệu suất của MOSFET silicon carbide sẽ giảm 0.58% (99.28%-98.7%). Khi tần số hoạt động tăng lên 500kHz, khoảng cách hiệu suất giữa hai loại trở nên rất lớn (1%). Dĩ nhiên, nếu xét đến một mạch điện thực tế, việc tăng tần số sẽ gây ra sự gia tăng đáng kể tổn hao của các linh kiện từ tính, thì sự khác biệt về hiệu suất giữa hai mạch sẽ không lớn, nhưng xu hướng thay đổi hiệu suất vẫn như nhau.
Hình 16: So sánh hiệu suất của hai thiết bị điện ở các tần số hoạt động khác nhau.Các khuyến nghị ứng dụng MOSFET Gallium Nitride và Silicon Carbide
(1) Vì một số lý do, hệ thống được áp dụng phải hoạt động ở tần số vượt quá 200KHz. Transistor gallium nitride là lựa chọn đầu tiên, tiếp theo là MOSFET silicon carbide. Nếu tần số hoạt động thấp hơn 200KHz, cả hai đều có thể được sử dụng;
(2) Hệ thống được áp dụng yêu cầu hiệu suất cực cao từ tải nhẹ đến tải một nửa. Transistor gallium nitride là lựa chọn hàng đầu, tiếp theo là MOSFET silicon carbide;
(3) Nếu hệ thống được áp dụng có nhiệt độ hoạt động tối đa cao, khó tản nhiệt hoặc yêu cầu hiệu suất cực cao ở tải tối đa, MOSFET silicon carbide là lựa chọn đầu tiên, tiếp theo là transistor gallium nitride;
(4) Hệ thống được áp dụng có nhiễu lớn, đặc biệt là nhiễu điều khiển cổng. MOSFET silicon carbide là lựa chọn đầu tiên, và transistor gallium nitride là lựa chọn thứ hai;
(5) Nếu hệ thống được áp dụng yêu cầu công tắc nguồn có khả năng ngắn mạch lớn thì MOSFET silicon carbide là lựa chọn hàng đầu;
(6) Đối với các hệ thống ứng dụng khác không có yêu cầu đặc biệt, việc lựa chọn sản phẩm nào phụ thuộc vào các yếu tố như phương pháp tản nhiệt, mật độ công suất và sự quen thuộc của nhà thiết kế với hai yếu tố đó.
Tóm tắt
Khi ngành công nghiệp trở nên quen thuộc hơn và có nhiều kinh nghiệm ứng dụng hơn, việc sử dụng cả hai loại vật liệu này sẽ tăng mạnh, dẫn đến giảm giá thành của cả hai. Điều này sẽ thúc đẩy việc sử dụng các chất bán dẫn công suất có dải năng lượng rộng trên quy mô lớn hơn, tạo thành một vòng tuần hoàn tích cực. Do đó, việc các kỹ sư điện nắm vững và sử dụng các chất bán dẫn công suất có dải năng lượng rộng càng sớm càng tốt là rất quan trọng để nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm, tăng độ nhận diện sản phẩm và nâng cao năng lực của bản thân. Tôi tin rằng bài viết này có giá trị tham khảo rất lớn đối với các kỹ sư điện trong việc làm quen và sử dụng các chất bán dẫn công suất có dải năng lượng rộng.
Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được đăng lại từ "TechSugar". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả và không đại diện cho quan điểm của Sacco Micro hay toàn ngành. Việc đăng lại và chia sẻ chỉ nhằm mục đích bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi đăng lại. Nếu phát hiện vi phạm bản quyền, vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa bỏ.
Số điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Số fax: +86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Quản lý Li
QQ: 332496225 Quản lý Qiu
Địa chỉ: Phòng 809, Tòa nhà C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Khu Longhua Mới, Thâm Quyến




粤公网安备44030002007346号