eng
С момента появления технологии SiC-диодов интерес к ней не угасает. SiC обладает великолепным сочетанием свойств для применения в приборах силовой электроники: работает при высоких (свыше 500°С) температурах, имеет высокую теплопроводность 3–5 Вт/см·град. и большие плотности рабочих токов до 1000 А/см2. Карбид кремния демонстрирует намного более высокое пробивное напряжение по сравнению с традиционно используемым кремнием, что позволяет создавать более компактные приборы с улучшенными параметрами.
С момента появления технологии SiC-диодов интерес к ней не угасает. SiC обладает великолепным сочетанием свойств для применения в приборах силовой электроники: работает при высоких (свыше 500°С) температурах, имеет высокую теплопроводность 3–5 Вт/см·град. и большие плотности рабочих токов до 1000 А/см2. Карбид кремния демонстрирует намного более высокое пробивное напряжение по сравнению с традиционно используемым кремнием, что позволяет создавать более компактные приборы с улучшенными параметрами.
Силовые приборы на SiC применяются в следующих областях: импульсные источники питания; высоковольтные корректоры коэффициента мощности (ККМ) с режимом непрерывного тока; источники бесперебойного питания (ИБП) и преобразователи для солнечных батарей; промышленный электропривод; высоковольтные умножители напряжения. Особенно востребованы они в специальных областях применения: нефтедобывающее оборудование, энергетика, автомобильная электроника, аэрокосмическая и военная техника. Основные характеристики SiC в сравнении с GaAs и Si приведены в табл.1 и на рис.1.
Основные преимущества SiC перед Si и GaAs таковы:
* напряженность электрического поля пробоя SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии;
* малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать для силовых приборов кристаллы очень маленького размера;
* из-за большой ширины запрещенной энергетической зоны по сравнению с Si и GaAs токи утечки чрезвычайно малы (менее 70 мкА при 200°С) при повышенной температуре кристалла;
* высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si-диодами почти в два раза);
* электронные свойства приборов на основе SiC стабильны и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий;
* карбид кремния устойчив к жесткой радиации, воздействие которой не приводит к деградации электронных свойств кристалла;
* высокая рабочая температура кристалла (более 500°С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальной аппаратуры.
Хорошая подвижность электронов в сочетании с возможной высокой концентрацией, а следовательно, и большая (на порядок) критическая напряженность электрического поля (3–5)106 В/см для SiC по сравнению с (2–5)105 В/см позволяют улучшить все характеристики приборов силовой электроники: быстродействие, предельные коммутируемые токи и напряжения, статические и динамические потери. Приборы силовой электроники на основе SiC позволяют радикально уменьшить габариты и массу преобразовательного оборудования, увеличить надежность работы за счет более высоких частот преобразования, более высокой температуры перехода и упрощенной системы охлаждения.
Однако широкому внедрению приборов силовой электроники на основе SiC препятствуют сложность получения высококачественного исходного материала и эпитаксиальных пленок (проблема микропор – micropipes), а также их высокая стоимость, сложность и дороговизна технологических процессов осаждения CVD (Chemical Vapor Deposition), ионной имплантации, плазмохимии и т.п. Сегодняшний уровень разработок и производства позволяет получать исходный SiC в пластинах диаметром до 3 дюймов c плотностью дефектов до 5 см-2. Для увеличения процента выхода годных SiC-приборов силовой электроники этот показатель должен быть уменьшен минимум в пять раз, так как нынешний уровень качества исходных SiC-пластин допускает производство приборов площадью не более нескольких квадратных миллиметров. Интенсивные разработки последнего десятилетия прошлого века уже обусловили запуск промышленного производства SiC-диодов Шоттки на токи до 25 А и напряжение до 1200 В, а также экспериментальную отработку конструкции и технологии производства сверхвысоковольтных диодов, высоковольтных полевых транзисторов (с изолированным затвором SiC-MOSFET и управляемых p-n-переходом SiC-JFET), каскодных SiC-Si-ключей.
Сегодня на рынке присутствуют следующие типы SiC-приборов силовой электроники:
* быстродействующие диоды (Шоттки) с блокирующим напряжением 4,9 кВ;
* MOSFET с коммутируемыми напряжениями более 1000 В и сопротивлением в открытом состоянии, которое на три порядка меньше по сравнению с MOSFET на базе Si;
* JFET (полевой транзистор, управляемый p-n-переходом) с блокирующими напряжениями 3,5 кВ и удельным сопротивлением в открытом состоянии 25 мОм·см2 (как у 600 В CoolMOS), что соответствует плотностям коммутируемых токов 100 А/см2 и прямым падениям напряжения около 2,5 В (для 3300 В приборов);
* каскодные SiC-Si-приборы;
* высоковольтные быстродействующие биполярные силовые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры) с коммутируемыми напряжениями более 10 кВ (19 кВ!) и частотами коммутации в несколько килогерц.
Рассмотрим более подробно SiC силовые приборы компании Infineon.
Диоды SiC производства Infineon характеризуются:
* исключительно малым временем обратного восстановления;
* практическим отсутствием обратного тока переключения;
* практическим отсутствием влияния температуры на динамические характеристики переключения;
* практическим отсутствием тока утечки;
* низким прямым сопротивлением потерь по сравнению с Si- и GaAs-диодами;
* высокой плотностью тока при очень малых размерах кристалла, так как проводимость SiC в три раза больше чем у Si, т.е. сравнима с медью.
Основные особенности приборов:
* высокая скорость переключения, не зависящая от номинального тока, скорости его нарастания (dI/dt) и температуры;
* положительный температурный коэффициент, позволяющий легко включать приборы в параллель;
* отсутствие процессов прямого и обратного восстановления, достигаемое в результате максимального снижения паразитной емкости.
Серия SiC-диодов ThinQ от фирмы Infineon – это почти идеальные высоковольные полупроводниковые выпрямительные диоды Шоттки на основе карбида кремния на напряжения 600 В и 1200 В (табл.2).
Компания Infineon впервые в мире запустила в серийное производство полумостовой IGBT-модуль FF600R12IS4F на 600 А с обратными SiC-диодами Шоттки в корпусе PrimePack (рис.2). Для этого модуля коммутационные потери значительно ниже при включении IGBT (рис.3, 4), поскольку импульс тока через включаемый IGBT, необходимый для восстановления запертого состояния SiC-диода, гораздо меньше, чем для такого же модуля с Si-диодами.
На выставке PCIM 2009В, которая состоялась в мае в Нюренберге (Германия), компания Infineon представила новое семейство интеллектуальных силовых IGBT-модулей SmartPIM и SmartPACK. В основе новых модулей лежит новый конструктив, который позволяет проводить сборку всех компонентов модуля без использования пайки. Интеллектуальный модуль состоит из трех основных компонентов: радиатора, собственно IGBT-модуля и печатной платы с драйверами. Четвертый элемент – прижим – обеспечивает соединение компонентов в единый модуль с помощью одного винта. Главным элементом этого модуля, позволившим получить такой быстрый и, соответственно, недорогой способ сборки, является IGBT-модуль с выводами типа PressFIT. Выводы PressFIT, запатентованные Infineon для силовых модулей, представляют собой расщепленный пружинный контакт, который вставляется в металлизированное отверстие печатной платы и обеспечивает высоконадежное соединение без пайки.
Первые представители семейства интеллектуальных модулей SmartPACK1 и SmartPIM1 имеют топологию трехфазного моста и трехфазного моста с выпрямителем и чоппером. Они позволяют реализовать инверторы мощностью от 2,2 до 11 кВт.
При дальнейшем развитии представителей семейства – SmartPIM2, SmartPACK2, SmartPIM3 и SmartPACK3 – эта мощность возрастет до 55 кВт при рабочих токах до 200А.
Начать серийное производство модулей SmartPACK1 и SmartPIM1 планируется в четвертом квартале 2009 года.
Литература
Efficiency improvement with silicon carbide based power modules, Zhang Xi, Infineon Technology AG. – Материалы конференции PCIM 2009.
Обжерин Е., Карбид кремния – новые горизонты в силовой электронике. – Материалы конференции "Силовая Электроника 2009".
Силовые приборы на SiC применяются в следующих областях: импульсные источники питания; высоковольтные корректоры коэффициента мощности (ККМ) с режимом непрерывного тока; источники бесперебойного питания (ИБП) и преобразователи для солнечных батарей; промышленный электропривод; высоковольтные умножители напряжения. Особенно востребованы они в специальных областях применения: нефтедобывающее оборудование, энергетика, автомобильная электроника, аэрокосмическая и военная техника. Основные характеристики SiC в сравнении с GaAs и Si приведены в табл.1 и на рис.1.
Основные преимущества SiC перед Si и GaAs таковы:
* напряженность электрического поля пробоя SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии;
* малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать для силовых приборов кристаллы очень маленького размера;
* из-за большой ширины запрещенной энергетической зоны по сравнению с Si и GaAs токи утечки чрезвычайно малы (менее 70 мкА при 200°С) при повышенной температуре кристалла;
* высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si-диодами почти в два раза);
* электронные свойства приборов на основе SiC стабильны и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий;
* карбид кремния устойчив к жесткой радиации, воздействие которой не приводит к деградации электронных свойств кристалла;
* высокая рабочая температура кристалла (более 500°С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальной аппаратуры.
Хорошая подвижность электронов в сочетании с возможной высокой концентрацией, а следовательно, и большая (на порядок) критическая напряженность электрического поля (3–5)106 В/см для SiC по сравнению с (2–5)105 В/см позволяют улучшить все характеристики приборов силовой электроники: быстродействие, предельные коммутируемые токи и напряжения, статические и динамические потери. Приборы силовой электроники на основе SiC позволяют радикально уменьшить габариты и массу преобразовательного оборудования, увеличить надежность работы за счет более высоких частот преобразования, более высокой температуры перехода и упрощенной системы охлаждения.
Однако широкому внедрению приборов силовой электроники на основе SiC препятствуют сложность получения высококачественного исходного материала и эпитаксиальных пленок (проблема микропор – micropipes), а также их высокая стоимость, сложность и дороговизна технологических процессов осаждения CVD (Chemical Vapor Deposition), ионной имплантации, плазмохимии и т.п. Сегодняшний уровень разработок и производства позволяет получать исходный SiC в пластинах диаметром до 3 дюймов c плотностью дефектов до 5 см-2. Для увеличения процента выхода годных SiC-приборов силовой электроники этот показатель должен быть уменьшен минимум в пять раз, так как нынешний уровень качества исходных SiC-пластин допускает производство приборов площадью не более нескольких квадратных миллиметров. Интенсивные разработки последнего десятилетия прошлого века уже обусловили запуск промышленного производства SiC-диодов Шоттки на токи до 25 А и напряжение до 1200 В, а также экспериментальную отработку конструкции и технологии производства сверхвысоковольтных диодов, высоковольтных полевых транзисторов (с изолированным затвором SiC-MOSFET и управляемых p-n-переходом SiC-JFET), каскодных SiC-Si-ключей.
Сегодня на рынке присутствуют следующие типы SiC-приборов силовой электроники:
* быстродействующие диоды (Шоттки) с блокирующим напряжением 4,9 кВ;
* MOSFET с коммутируемыми напряжениями более 1000 В и сопротивлением в открытом состоянии, которое на три порядка меньше по сравнению с MOSFET на базе Si;
* JFET (полевой транзистор, управляемый p-n-переходом) с блокирующими напряжениями 3,5 кВ и удельным сопротивлением в открытом состоянии 25 мОм·см2 (как у 600 В CoolMOS), что соответствует плотностям коммутируемых токов 100 А/см2 и прямым падениям напряжения около 2,5 В (для 3300 В приборов);
* каскодные SiC-Si-приборы;
* высоковольтные быстродействующие биполярные силовые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры) с коммутируемыми напряжениями более 10 кВ (19 кВ!) и частотами коммутации в несколько килогерц.
Рассмотрим более подробно SiC силовые приборы компании Infineon.
Диоды SiC производства Infineon характеризуются:
* исключительно малым временем обратного восстановления;
* практическим отсутствием обратного тока переключения;
* практическим отсутствием влияния температуры на динамические характеристики переключения;
* практическим отсутствием тока утечки;
* низким прямым сопротивлением потерь по сравнению с Si- и GaAs-диодами;
* высокой плотностью тока при очень малых размерах кристалла, так как проводимость SiC в три раза больше чем у Si, т.е. сравнима с медью.
Основные особенности приборов:
* высокая скорость переключения, не зависящая от номинального тока, скорости его нарастания (dI/dt) и температуры;
* положительный температурный коэффициент, позволяющий легко включать приборы в параллель;
* отсутствие процессов прямого и обратного восстановления, достигаемое в результате максимального снижения паразитной емкости.
Серия SiC-диодов ThinQ от фирмы Infineon – это почти идеальные высоковольные полупроводниковые выпрямительные диоды Шоттки на основе карбида кремния на напряжения 600 В и 1200 В (табл.2).
Компания Infineon впервые в мире запустила в серийное производство полумостовой IGBT-модуль FF600R12IS4F на 600 А с обратными SiC-диодами Шоттки в корпусе PrimePack (рис.2). Для этого модуля коммутационные потери значительно ниже при включении IGBT (рис.3, 4), поскольку импульс тока через включаемый IGBT, необходимый для восстановления запертого состояния SiC-диода, гораздо меньше, чем для такого же модуля с Si-диодами.
На выставке PCIM 2009В, которая состоялась в мае в Нюренберге (Германия), компания Infineon представила новое семейство интеллектуальных силовых IGBT-модулей SmartPIM и SmartPACK. В основе новых модулей лежит новый конструктив, который позволяет проводить сборку всех компонентов модуля без использования пайки. Интеллектуальный модуль состоит из трех основных компонентов: радиатора, собственно IGBT-модуля и печатной платы с драйверами. Четвертый элемент – прижим – обеспечивает соединение компонентов в единый модуль с помощью одного винта. Главным элементом этого модуля, позволившим получить такой быстрый и, соответственно, недорогой способ сборки, является IGBT-модуль с выводами типа PressFIT. Выводы PressFIT, запатентованные Infineon для силовых модулей, представляют собой расщепленный пружинный контакт, который вставляется в металлизированное отверстие печатной платы и обеспечивает высоконадежное соединение без пайки.
Первые представители семейства интеллектуальных модулей SmartPACK1 и SmartPIM1 имеют топологию трехфазного моста и трехфазного моста с выпрямителем и чоппером. Они позволяют реализовать инверторы мощностью от 2,2 до 11 кВт.
При дальнейшем развитии представителей семейства – SmartPIM2, SmartPACK2, SmartPIM3 и SmartPACK3 – эта мощность возрастет до 55 кВт при рабочих токах до 200А.
Начать серийное производство модулей SmartPACK1 и SmartPIM1 планируется в четвертом квартале 2009 года.
Литература
Efficiency improvement with silicon carbide based power modules, Zhang Xi, Infineon Technology AG. – Материалы конференции PCIM 2009.
Обжерин Е., Карбид кремния – новые горизонты в силовой электронике. – Материалы конференции "Силовая Электроника 2009".
Отзывы читателей
