Карбидокремниевые (SiC) высоковольтные диоды Шоттки компании CREE

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время большинство устройств силовой электроники работает на кремниевых диодах. Но потенциал кремня как материала для силовой электроники практически исчерпан. Разработки и научные поиски новых приборов на основе других полупроводниковых материалов ведутся уже несколько последних десятилетий. И только относительно недавно компания Cree выпустила на рынок первые полупроводниковые приборы на основе карбида кремния (SiC).

На рынке полупроводниковых устройств постоянно появляются новые разработки, но не всегда понятно, как и где новинки могут быть полезны в конкретных применениях. Зачастую, для реализации преимуществ следующего поколения полупроводниковых устройств требуется полностью переработать существующую схему, что бывает непростой задачей для разработчиков.

Спектр полупроводниковых приборов американской компании Cree, Inc. невелик. Она специализируется, в основном, на использовании новых полупроводниковых материалов. Компания CREE является одним из мировых лидеров в производстве электронных устройств на основе карбида кремния. Это один из самых перспективных полупроводниковых материалов, превосходящий другие полупроводниковые материалы по основным физическим свойствам.

Компания производит мощные ВЧ- и СВЧ-транзисторы, светодиоды повышенной светоотдачи, мощные высоковольтные диоды Шоттки (ДШ) на основе карбида кремния под торговой маркой Zero Recovery™ [1]. Последним и будет уделено внимание в данной статье.

ДИОДЫ ШОТТКИ КОМПАНИИ CREE

Уменьшение размера и веса электронных систем обусловлено возрастающими потребностями рынка в плотности мощности электронных устройств. Для того чтобы достигнуть этой цели без ущерба для функциональности, необходимо уменьшить размер и вес импульсного источника питания системы. В этом смысле карбидокремниевые диоды Шоттки (КК ДШ) обладают рядом замечательных свойств:

• очень малое (практически нулевое!) время восстановления основных носителей заряда при переключениях;
• более высокое напряжение про боя, чем у кремниевых приборов;
• высокая температура функционирования (до 175°С);
• высокая частота переключения (до 500 кГц), что позволяет уменьшить фильтр электромагнитных помех и размеры других пассивных компонентов;
• уменьшение или исключение активных или пассивных демпферных цепей.

Главное преимущество высоковольтных диодов Шоттки состоит в их исключительных динамических характеристиках. Заряд обратного восстановления Оrr этих диодов чрезвычайно низок (менее 20 нКл), поэтому емкость перехода не сохраняет заряд. Кроме того, в отличие от кремниевых PiN-диодов скорость нарастания тока di/dt не зависит от величины прямого тока и температуры. Диоды нормально работают при максимальной температуре перехода 175°С. Сверхмалое значение заряда Orr карбидокремниевых диодов Шоттки приводит к уменьшению потерь на переключение в типичных применениях импульсной силовой электроники.

Компания выпускает три группы диодов Шоттки на основе карбида кремния: на напряжение 300, 600 и 1200 В. В первой группе всего два диода на ток 10 и 20 А, во второй — 12 ДШ с прямым током от 1 до 20 А, в третьей 4 диода с прямым током от 5 до 20 А.

Диоды выпускаются в стандартных пластмассовых корпусах ТО-220, DPAK, D2PAK, TO-247-3. Перечень диодов Шоттки компании CREE приведен в таблице 1 [1].

КАРБИД КРЕМНИЯ
(немного физики)

Все уникальные свойства ДШ под торговой маркой Zero Recovery™ определяются свойствами полупроводникового материала карбида кремния. Рассмотрим их подробнее.

Карбид кремния SiC — бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны: 2,8...3,1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния является третьим по твердости веществом после алмаза. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния могут работать при высоких температурах вплоть до 600°С. Материал устойчив к окислению при температуре до 1400°С. При комнатной температуре он не взаимодействует ни с какими кислотами. Этим объясняется трудность изготовления полупроводниковых приборов на его основе.

Модификаций карбида кремния насчитывается около 170, но только две из них применяются в коммерческих продуктах — это 4H-SiC и 6H-SiC [2].

Сравнение с другими полупроводниками. Карбидокремниевые приборы способны функционировать при высоких температурах, высокой мощности, устойчивы к радиации. Все это определяет блестящие перспективы этого полупроводникового материала и приборов на его основе. Карбид кремния обладает следующими преимуществами по отношению к другим полупроводникам, например, кремнию или арсениду галлия (см. рис. 1):

• в два-три раза большая ширина запрещенной зоны;
• в 10 раз большее поле электрического пробоя;
• способность работать при высоких температурах, до 600°С;
• теплопроводность в 3 раза больше, чем у кремния, и почти в 10 раз больше, чем у арсенида галлия;
• устойчивость к воздействию радиации;
• стабильность электрических характеристик под воздействием температуры и времени.

Рис. 1. Физические свойства карбида кремния.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ДИОДОВ ШОТТКИ

Рассмотрим типичные кривые ВАХ при разных температурах ДШ с прямым током 10 А и обратным напряжением 600 В со структурой 4H-SiC (см. рис. 2).

Рис. 2. Прямая ВАХ КК ДШ.

Сопротивление перехода в прямом смещении увеличивается с ростом температуры благодаря снижению подвижности электронов при повышенных температурах. При токе через диод 10 А падение напряжения составляет 1,5 В при температуре 25°С. При увеличении температуры ток уменьшается при том же значении прямого напряжения. Отрицательный температурный коэффициент прямого тока позволяет соединять диоды параллельно, неравномерного распределения токов при этом не возникает. Это поведение подобно поведению высоковольтных кремниевых PiN-диодов. Рассмотрим обратные ВАХ ДШ на основе карбида кремния (см. рис. 3).

Рис. 3. Обратная ВАХ КК ДШ

Типичное значение тока утечки при 600 В и 25°С составляет менее 50 мкА, а при увеличении температуры до 200°С ток утечки увеличивается всего лишь до 70 мкА, что незначительно для такого широкого диапазона температур.

Устройства в корпусе ТО-220 имеют температурное сопротивление 1,1°С/Вт. Ограничение прямого тока при повышении температуры для диода, реализованного в этом корпусе, показано на рисунке 4.

Рис. 4. Кривая ограничения тока для 10A-600В КК ДШ.

Этот график рассчитан для диодов с максимальной температурой перехода 175°С. При температуре корпуса до 150°С температура перехода остается ниже 175°С. Если же температура корпуса становится более 150°С, ток необходимо уменьшить, чтобы сохранить температуру перехода ниже 175°С.

Рассмотрим зависимость емкости перехода карбидокремниевого диода Шоттки от обратного напряжения (см. рис. 5).

Рис. 5. Зависимость ёмкости от приложенного обратного напряжения для 10A-600В КК ДШ.

При 10В ёмкость составляет 240пФ, при 100В она падает до 90пФ и достигает насыщения 50пФ при 300В. Это поведение емкости сравнимо с поведением емкости кремниевого ДШ при малых напряжениях.

Диоды Шоттки на основе карбида кремния обладают превосходными динамическими характеристиками. Остановимся на них подробней. Сравним характеристики выключения КК ДШ с кремниевым FRED-диодом при разных температурах (см. рис. 6). 

 Рис. 6. Осциллограмма выключения КК ДШ 10A/600В

 Диод на основе КК, как диод с переносом тока основными носителями, не имеет сохраненных неосновных носителей. Поэтому во время переходного процесса при выключении ток обратного восстановления КК ДШ отсутствует. Однако имеется небольшой ток смещения, требуемый для перезарядки емкости перехода Шоттки (переход М—п/п), который не завит от температуры, тока и скорости нарастания тока di/dt. По сравнению с КК ДШ у кремниевого FRED-диода имеется большой заряд обратного восстановления, который быстро увеличивается с ростом температуры, прямого тока и обратной скорости нарастания тока di/dt. Например, заряд Orr кремниевого FRED-диода при комнатной температуре примерно равен 160 нКл и увеличивается до 450 нКл при 150°С. Это избыточное количество электричества увеличивает потери на переключение и приводит к огромным нагрузкам на ключевом элементе или диоде в типичных импульсных схемах силовой электроники (корректоры коэффициента мощности или силовая часть привода).

В ключевых схемах диод будет подвергаться пиковым токам, значительно большим, чем средний ток через диод. На рисунке 7 показан импульсный прямой ток амплитудой 50А при температуре 25°С для КК ДШ с параметрами 10 А/600 В. Этот импульс, полуволна синусоиды частотой 60Гц, достигает пятикратного значения среднего тока через диод.

Рис. 7. Импульсный прямой ток амплитудой 50 А для КК ДШ 10A/600В

Качество пластин карбида кремния непрерывно улучшалось в течение 5 последних лет. Теперь возможно делать кристаллы большой площади. С использованием этих кристаллов удалось создать карбидокремниевый диод Шоттки на 30 А/600 В. Это устройство обладает током утечки 70 мкА при обратном смещении 600 В. Как было сказано выше, отрицательный температурный коэффициент тока делает возможным простое параллельное включение нескольких кристаллов в одном корпусе без проблем, связанных с перераспределением токов. Объединив три рассмотренных диода можно получить прибор с прямым током 80 А. Он будет иметь ток утечки 125 мкА при 600 В и 25°С. Таким образом, технология КК ДШ является масштабируемой и позволяет получать большие прямые токи через прибор. И пока технология изготовления карбидокремниевых полупроводниковых приборов совершенствуется, есть возможность получать нужные приборы путем их параллельного соединения в одном корпусе.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Диоды Шоттки компании Cree находят применение в импульсной силовой электронике: в схемах корректоров коэффициента мощности, в приводах электродвигателей и др. Применение этих приборов оправдывает себя при работе на повышенных частотах. Благодаря уникальным свойствам диодов Шоттки на основе карбида кремния, корректоры коэффициента мощности могут работать на частотах вплоть до 500кГц при КПД устройства 92%, тогда как эффективность корректора мощности с использованием кремниевых приборов резко падает с повышением частоты (см. рис. 8).

Рис. 8. Эффективность использования КК ДШ

При работе на высоких частотах габариты индуктивностеи уменьшаются примерно на 30%. Благодаря отсутствию тока обратного восстановления снижаются электромагнитные помехи, что позволяет сэкономить на сетевом фильтре (см. рис. 9) [3].

Рис. 9. Уменьшение размеров индуктивностей с ростом частоты.

Кроме корпусированных диодов, компания поставляет свои кристаллы сторонним фирмам для использования их, например, в качестве антипараллельных диодов мощных транзисторов IGBT или MOSFET в составе силовых модулей.

Скачать в PDF