Публикации

Microsemi

Дискретные и модульные компоненты на основе карбида кремния компании Microsemi (2015)

     Применение новых широкозонных полупроводников при проектировании и производстве приборов силовой электроники позволяет добиться значительного улучшения их рабочих характеристик с одновременным уменьшением массогабаритных показателей. В данной статье рассматриваются технические параметры дискретных устройств и высоконадёжных модулей компании Microsemi, изготавливаемых на основе одного из наиболее популярных материалов – карбида кремния (SiC).

ВВЕДЕНИЕ
     За последние несколько лет в разработке устройств силовой электроники наметилась отчетливая тенденция применения полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны (карбида кремния, нитрида галлия, и др.). Уникальные свойства этих материалов, включающие в себя большие коэффициенты теплопроводности, значительные уровни напряженности электрического поля и т.д., обеспечивают создание на их основе приборов с рекордными энергетическими показателями. Одним из наиболее перспективных и распространенных материалов является карбид кремния, который широко используется для улучшения рабочих характеристик как дискретных устройств, так и модульных конструкций, а именно быстродействия, предельных коммутируемых токов и напряжений, статических и динамических потерь. Так, по прогнозам рыночных аналитиков компании Yole Developpement, ежегодный рост производства силовых полупроводников на основе карбида кремния в период с 2015 по 2020 г.г. составит 39%. Активное развитие отрасли видно на примере увеличения количества выпускаемых SiC диодов Шоттки (рис. 1)

График прогноза роста продаж SiC диодов Шоттки до 2020 г.
     Основные характеристики SiC, позволяющие добиться реального улучшения параметров приборов по сравнению с традиционными кремнием и арсенидом галлия отмечены на рис.2.
     Полевые транзисторы, диоды и другие электронные приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Большая ширина запрещенной зоны, являющаяся результатом более высокого барьера Шоттки по сравнению с Si и GaAs, приводит к уменьшению величины тока утечки (менее 70 мкА при 200°С), который при повышенной температуре кристалла снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера [1]. Критическая напряженность электрического поля пробоя карбида кремния более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs, что приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии и уменьшению общих потерь (рис. 3). В свою очередь, малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока (до 1000 А/см2) и теплопроводностью способствует уменьшению габаритов силовых приборов. Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si примерно в три раза), при этом упрощаются требования к системе охлаждения [1].

Сравнение основных характеристик применяемых полупроводниковых материалов: Si, GaAs и SiC
     В результате, устройства на основе SiC позволяют радикально уменьшить габариты и массу преобразовательного оборудования, а также увеличить эффективность работы за счет более высоких частот преобразования. Характеристики карбид-кремниевых приборов слабо подвержены влиянию изменений температур экплуатации вследствие более высокой температуры перехода. Это обеспечивает долговременную надежность полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации, а отличная радиационная стойкость делают карбид кремния практически незаменимым материалом для разработки оборудовании военного и космического назначения.

Ключевые преимущества приборов на основе SiC
     Силовые приборы на основе SiC предназначены преимущественно для устройств средней (1...10 кВт) и большой мощности (10 кВт...1 МВт), среди основных областей применения полупроводниковых приборов на основе SiC можно выделить:
     • Оборудование нефте- и газодобычи;
     • Металлургия и машиностроение;
     • Авиационная и космическая техника;
     • Электромобили;
     • Нефтехимическое производство;
     • Авиарадары, устройства СВЧ связи;
     • Атомная энергетика.
     В настоящее время на рынке силовой электроники компания Microsemi представлена следующими типами SiC продукции [2]:
     • Быстродействующие диоды Шоттки с максимальным обратным напряжением 1700 В;
     • MOSFET устройства с напряжением пробоя 1200 В;
     • Силовые модули на их основе как полностью из SiC, так и частично, в различных конфигурациях и с широким выбором конструктивно-технологического исполнения.

SiC MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ
     Новые высоковольтные карбид-кремниевые MOSFET устройства APT40SM120х и APT50SM120х разработаны на основе запатентованной технологии с целью повышения энергоэффективности ключевых схем. Их отличительная особенность и в то же время основное преимущество – значительно более низкое удельное сопротивление исток-сток в открытом состоянии (RDS(ON)) по сравнению с кремниевыми полевыми транзисторами. Так, сопротивление открытого канала транзисторов APT40SM120х и APT50SM120х составляет 80 и 50 мОм при температуре +25°C и увеличивается до 1,5 и 1,8 Ом при максимальных температурах эксплуатации [3]. Компоненты отличаются высоким напряжением пробоя 1200 В, при этом максимальный ток стока достигает величин 40 и 50 А (для APT40SM120х и APT50SM120х соответственно). Малый заряд затвора (не более 130 и 166 нКл) а также его низкое сопротивление минимизируют потери энергии на переключение и обеспечивают отличные динамические характеристики. Это приводит к повышению рабочих частот, и соответственно к уменьшению габаритов применяемых совместно с транзисторами внешних элементов. Коммутация нагрузки происходит под действием управляющего напряжения затвора Vgs, лежащем в пределах от -10 до +25 В.

Основные параметры SiC MOSFET транзисторов компании Microsemi

     Транзисторы, выполненые в герметичных корпусах TO-247 и D3PAK с максимальной рассеиваемой мощностью 273 Вт, обладают низким значением температурного сопротивления кристалл-корпус 0,55 °С/Вт и проходят обязательное тестирование в широком диапазоне температур от -55 до +175 °C. Выходные характеристики транзистора APT40SM120B при температуре перехода +175 °C приведены на рис.4.
     Из других особенностей можно отметить низкий уровень собственого электромагнитного шума и стойкость к коротким замыканиям. Типовые применения включают в себя импульсные источники питания с различными топологиями силовых преобразователей напряжения (повышающие, понижающие, обратноходовые, несимметричные мосты), корректоры коэффициента мощности, схемы управления электроприводами, инверторы и т.д.
     Помимо предлагаемых моделей в ближайшее время компанией планируется выпуск этих же изделий в высокопрочных корпусах SOT-227. Кроме того, линейка будет расширена за счет устройств с напряжением пробоя 1700 В, сопротивлением RDS(ON) не более 25 мОм и максимальным рабочим током до 100 А.

Выходные характеристики SiC MOSFET транзистора APT40SM120B компании Microsemi

ДИОДЫ ШОТТКИ
     Как известно, существенный вклад в потери источников электропитания вносит эффект обратного восстановления мощных высоковольтных диодов. Это особенно актуально для мостовых инверторов, работающих на индуктивную нагрузку. Большие токи при обратном восстановлении диодов также являются причиной возникновения радиопомех, что требует применения экранирования, увеличивающего массу и габариты устройства. Появление диодов с ультрабыстрым восстановлением, таких как FRED, позволяет лишь частично снизить влияние указанных проблем, оптимальным же решением является использование диодов Шоттки на основе карбида кремния.
     У кремниевых FRED диодов главные физические эффекты связаны с неосновными носителями заряда, которые сильно повышают заряд обратного восстановления (QRR), быстро увеличивающийся с ростом температуры, прямого тока и скорости нарастания обратного тока dI/dt (приводит к увеличению потерь на высоких частотах). Например, типовое значение QRR при комнатной температуре для таких диодов составляет 160 нКл, а при увеличении температуры перехода до 150°С уже 450 нКл. В устройствах на базе кремниевых диодов часто приходится использовать активные или пассивные демпфирующие цепи для ограничения токов обратного восстановления и уменьшения уровня электромагнитных помех, что приводит к усложнению и удорожанию схемы.
     Ключевое преимущество карбид-кремниевых диодов Шоттки Microsemi заключается в их исключительных динамических характеристиках, основной причиной которых является отсутствие тока обратного восстановления [4]. Вместо этого существует лишь незначительный ток, вызванный зарядом емкости перехода QС и не зависящий от скорости нарастания тока. Для наглядности сравним характеристики выключения SiC диода Шоттки с кремниевым FRED диодом при разных температурах.

График зависимости тока обратного восстановления от типа полупроводника и температуры эксплуатации
     Из рис. 5 видно, что у быстродействующего Si диода имеется ярко выраженный эффект обратного восстановления, причем амплитуда пикового тока и временной интервал его протекания имеют существенную температурную зависимость. В свою очередь, форма тока, протекающего через SiC диод Шоттки, при выключении имеет характер переходного процесса, амплитуда которого не зависит от температуры, отсутствие токов восстановления обеспечивает практически чистый фронт сигнала. В результате все это приводит к уменьшению прогнозируемых потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники (корректорах коэффициента мощности, приводах электродвигателей и т.д.). Более того, сокращаются помехи, создаваемые работой преобразователя на основе SiC диодов, что опять-таки позволяет упростить фильтры по питанию и сократить их размеры.
     Ещё одно преимущество SiC диодов над традиционными кремниевыми – высокая плотность мощности при очень малых размерах кристалла, получаемая из-за трехкратного выигрыша по проводимости. Следствие этого является повышение КПД, особенно на малых нагрузках и высоких частотах переключения (более 500 кГц), а также уменьшение габаритов внешних индуктивных компонентов (например, в ККМ дроссель повышающего преобразователя является одним из основных компонентов, определяющих массогабаритные показатели).
     Использование в качестве материала основы карбида кремния с более высоким напряжением пробоя позволило значительно увеличить уровни рабочих напряжений. Диоды компании Microsemi серий SCE и SCD с диапазоном максимальных рабочих токов от 10 до 30 А и обратными напряжениями 650, 1200 и 1700 В выпускается в популярных малогабаритных корпусах для планарного и сквозного монтажа (таблица 2).

Основные параметры SiC диодов Шоттки компании Microsemi
     Корпуса с допустимой температурой эксплуатации 175°С разработаны с использованием пассивации для повышения надежности в условиях повышенной влажности. Компоненты могут успешно применяться в импульсных источниках питания, инверторах, корректорах коэффициента мощности и другом высоконадежном силовом оборудовании различного назначения [5].
     Из основных характеристик стоит отметить малый ток утечки (типовое значение 10 мкА), полученный благодаря широкой запрещенной зоне SiC, а также низкое тепловое сопротивление переход-корпус, не превышающее для ряда моделей 0,7 °С/Вт. Падение напряжения имеет положительный температурный коэффициент, что значительно упрощает использование диодов при их параллельном включении, так как в этом случае не требуются согласующие резисторы для выравнивания их токов.

СИЛОВЫЕ МОДУЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ SiC КОМПОНЕНТОВ
     Силовые модули на основе карбида кремния получили свое активное развитие в связи с увеличением мощности силовых устройств, и нашли применение в схемах, в которых использование дискретных компонентов было неприемлемо из-за их недостаточной мощности либо сложности реализации самой схемы. Переход к созданию высокоинтегрированных модулей позволяет повысить производительность и за счет максимально плотной компоновки элементов значительно уменьшить габариты конечного устройства, следствием чего является существенное уменьшение влияния паразитных элементов на параметры устройства и увеличение эффективности системы в целом [6].
     Всю предлагаемую линейку можно разделить на диодные и транзисторные модули. Первая группа состоит из двух отдельных диодов, включаемых как в одном направлении, так и встречно, либо из четырех диодов, образующих выпрямительный мост (таблицы 3, 4).

Диодные модули на основе SiC, выпускаемые компанией Microsemi 
     Все вышесказанное о преимуществах карбид-кремниевых диодов, а именно превосходные рабочие характеристики на повышенных частотах эксплуатации, низкий уровень шума и потерь при переключениях, в полной мере относится и к диодным модулям. Объединение в одном малогабаритном корпусе нескольких элементов позволяет сократить занимаемое на печатной плате место, полученные компоненты идеально подходят для применения в приборах с высокой плотностью монтажа, например в устройствах бесперебойного питания, индукционного нагрева, сварочном оборудовании, высокоскоростных выпрямителях и т.д. Изолированный корпус с возможностью непосредственного монтажа радиатора обладает тепловым сопротивлением переход-корпус порядка 0,8 °С/Вт, напряжение изоляции вывод-корпус составляет 2500 В.
     Вторая группа представляет собой транзисторные модули, состоящие либо полностью из SiC элементов, либо с применением таковых для улучшения ключевых характеристик разрабатываемого устройства. Карбидокремниевые силовые модули для промышленного диапазона температур компании Microsemi выполнены по различным электрическим конфигурациям и предлагаются в низкопрофильных корпусах, внешний вид которых показан на рис. 6. В большинстве из них используется подложка из нитрида алюминия, которая обеспечивает наличие электрической изоляции схемы модуля от теплоотвода и улучшает теплопередачу к системе охлаждения модуля, при этом некоторые модули содержат интегрированные датчики температуры, позволяющие обеспечить защиту от превышения максимальной температуры эксплуатации. Предельное рабочее напряжение достигает величины 1700 В, в таблице 4 приведены основные технические характеристики и доступные электрические конфигурации предлагаемых устройств (цветом выделены новинки 2014 года).

Внешний вид SiC транзисторных модулей компании Microsemi
     Ключевыми особенностями изделий является высокоскоростная коммутация с низкими потерями, малая входная ёмкость, незначительные требования к схемам драйверов и минимальная паразитная индуктивность, что  в сумме позволяет создавать высокоэффективные силовые устройства. Основные сферы применения включают в себя: имульсные источники питания, высоковольтные ККМ и умножители напряжения, мощные инверторы, преобразователи для солнечных батарей, промышленные электропривода и другое силовое оборудование.
     В заключение рассмотрим некоторые из новинок 2014 года. Прежде всего стоит отметить MOSFET модули APTMC170AM60CT1AG и APTMC170AM30CT1AG, выполненные по полумостовой конфигурации, с максимальным напряжением сток-исток 1700 В и рабочим током 40 и 80 А и сопротивлением RDS(ON) ключевых элементов не более 60 и 30 мОм соответственно. Изготавливаются в высокопрочном низкопрофильном корпусе SP1 с размерами 51,6×40,8×11,5 мм, предназначенном для сквозного монтажа, его тепловое сопротивление RthJC (переход-корпус) не превышает 0,36 °C/Вт [7].

Транзисторные SiC модули компании Microsemi
     Отличительные особенности и преимущества применения:
     • Очень малая индуктивность рассеяния;
     • Кельвин-эмиттеры для облегчения управления;
     • Встроенный термистор для мониторинга температуры;
     • Высокая степень интеграции;
     • Превосходные рабочие характеристики на высоких частотах переключения;
     • Непосредственный монтаж на теплоотвод (изолированный корпус).
     Также интересен модуль APTMC120AM09CT3AG, отличающийся очень низким значением RDS(ON) (всего 9 мОм) и максимальным показателем тока стока 200 А (при температуре TC = 80 °C) и 295 А при комнатной. Он доступен для заказа в корпусе SP3F с размерами 73,4×42,5×12,0 мм и  предназначается, прежде всего, для использования в сварочном оборудовании, импульсных источниках питания и драйверах электродвигателей. Встроенный датчик температуры с отрицательным температурным коэффициентом обеспечивает безопасное и длительное функционирование.
     Модели APTMC120TAM33CTPAG, APTMC120TAM17CTPAG и APTMC120TAM12CTPAG содержат в своем составе три полумоста с подсоединенным к каждому ключевому элементу параллельным SiC диодом. Изготавливаемые на основе SiC MOSFET, они рассчитаны на максимальное напряжение исток-сток 1200 В и ток стока до 150 А [8].
     Отличительные особенности данных модулей:
     • Низкое значение сопротивления во включенном состоянии RDS(ON) (от 12 до 33 мОм);
     • Высокая температурная стабильность;
     • Изолированный корпус облегчает установку радиатора;
     • Встроенный термистор для измерения температуры модуля;
     • Очень малая индуктивность рассеяния;
•    Малое тепловое сопротивление кристалл-корпус (0,1 °С/Вт).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Повышение производительности и надежности эксплуатации с одновременным уменьшением массогабаритных показателей – причина роста популярности устройств на основе SiC. Преимущества  использования карбид-кремниевых приборов очевидны – одной только заменой широко применяемых кремниевых устройств, не затрагивая схему, можно добиться значительного улучшения ключевых показателей, снизить уровень потерь и обеспечить надежное функционирование при повышенных температурах. Отработанные технологии производства компании Microsemi, высокий уровень стандартизации, максимальная гибкость и адаптируемость выпускаемой продукции к различным применениям дают возможность выбора оптимального решения по соотношению цена/производительность.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) Обжерин Е. Силовые модули на карбиде кремния компании Infineon. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. – 2009. – №7. – с. 22-24.
2) Каталог выпускаемой продукции Microsemi Power Portfolio 2014-2015. http://www.microsemi.com/index.php?option=com_docman&task=doc_download&gid=14813
3) Technical Datasheet. Silicon carbide power MOSFET APT40SM120. April 2013. www.microsemi.com.
4) Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния – настоящее и будущее силовой электроники. Компоненты и технологии. – 2004. – №8.
5) Technical Datasheet. Zero recovery silicon carbide Schottky diode APT10SCE170B. March 2014. www.microsemi.com.
6) Константин Верхулевский. Новые силовые модули компании Microsemi на основе карбида кремния // Компоненты и технологии. – 2013. №4. с.138-142.
7) Technical Datasheet. Phase leg SiC MOSFET power module APTMC170AM60CT1AG. June 2014. www.microsemi.com.
8) Technical Datasheet. Triple phase leg SiC MOSFET power module APTMC120TAM33CTPAG. May 2014. www.microsemi.com.

рекламный модуль Microsemi - Когда важна мощность