MOSFET-y SiC coraz lepsze, coraz bardziej dostępne

Rys. 1. Porównanie energii wymaganej do włączenia i wyłączenia tranzystora SiC i krzemowego

Dobre parametry elektryczne tranzystorów z SiC zapewnione są nawet w wysokich temperaturach, co ułatwia budowę konwerterów i ogranicza nakłady wymagane do zapewnienia chłodzenia. Co więcej, tranzystory te są w stanie pracować przy wyższych częstotliwościach kluczowania, typowo od 2 do 5 razy, co pozwala na redukcję wymiarów elementów magnetycznych i pojemności. Niewielkie prądy zerowe nawet w wysokich temperaturach zapewniają stabilne działanie i dużą niezawodność, co widać właśnie najbardziej w tych ekstremalnie trudnych warunkach otoczenia i zasilania.

Do niedawna oferta rynkowa tranzystorów mocy SiC była skromna, a ceny niestety nie zachęcały do szerokiego aplikowania. Niemniej to się w ostatnich latach zaczęło zmieniać i liczba premier nowych komponentów tego typu znacznie się zwiększyła, zarówno jeśli chodzi o wersje bipolarne, jak i MOSFET. Przykładem mogą być nowe MOSFET-y SCT20N120 firmy ST Microelectronics, przeznaczone do pracy w inwerterach pojazdów elektrycznych i hybrydowych, falownikach do napędu silników oraz aplikacjach przemysłowych.

Ich napięcie znamionowe wynosi 1200 V, a typowa rezystancja kanału w stanie załączenia tylko 215 mΩ. Z kolei wersja SCT30N120 ma R_DS(ON) jeszcze mniejszą, tylko 80 mΩ. Warto zauważyć, że w odróżnieniu od krzemowych wersji tutaj rezystancja ta w niewielkim stopniu zależy od temperatury, która może sięgnąć w złączu 200°C.

Tranzystory umieszczono w popularnej obudowie HiP247 (zgodna z TO-247, w której usprawniono wkładkę metalową odpowiedzialną za odprowadzenie ciepła ze struktury). Tak niska rezystancja w stanie przewodzenia nie występuje w przypadku półprzewodników krzemowych przeznaczonych do pracy z wysokimi napięciami, co więcej, górna granica maksymalnego napięcia U_DS dla MOSFET-ów krzemowych sięga 800 V, a dla większości popularnych elementów nie przekracza 650 V.

Rys. 2. Sprawność przykładowego konwertera wykonanego na różnych typach tranzystorów

Jak widać, zmiana materiału półprzewodnikowego na tzw. szerokoprzerwowy przynosi zmianę jakościową. Wysoka temperatura dopuszczalna złącza jest o 25–30 stopni większa niż dla półprzewodników krzemowych. Pozwala to na zmniejszenie powierzchni wymaganych radiatorów lub wydajności systemu chłodzenia. Nierzadko też przejście na elementy SiC umożliwia rezygnację z chłodzenia wymuszonego i zastąpienie go konwekcyjnym.

Omawiane tranzystory charakteryzują się dużą stabilnością przełączania i niewielką wartością ładunku bramki Qg niezbędną do przełączenia (45 nC dla SCT20N120), co umożliwia sterowanie ich z dużą szybkością bez konieczności rozbudowy układów drivera tak, aby mógł dostarczyć dużą moc. Typowo MOSFET SiC jest w stanie pracować na trzykrotnie większej częstotliwości w analogicznych warunkach w porównaniu do krzemowego IGBT.

Podobnie jak w krzemie tutaj też równolegle do tranzystora występuje antyrównoległa dioda. Niemniej jest ona szybka i niezawodna, dzięki czemu można wykorzystać ją układowo, np. jako element mostka. W tranzystorach krzemowych taka dioda była często elementem traktowanym jako pasożytniczy, co wymagało dodania dodatkowej diody z zewnątrz. Tranzystory SCT20N120 kosztują 12 dol. przy zamówieniach 1000 sztuk

Sterowanie tranzystorem SiC

Rys. 3. Za efekt Millera odpowiedzialna jest pasożytnicza pojemność bramka-kolektor (dren)

W porównaniu do wersji krzemowej MOSFET SiC wymaga wyższego napięcia (+20 V) podawanego przez driver na bramkę, po to, aby zapewniona została minimalna wartość R_DS(ON) i minimalne straty przewodzenia.

Z kolei dla zapewnienia szybkiego załączenia i wyłączenia tego elementu (minimalne straty na przełączaniu) wymagane jest podanie napięcia ujemnego na bramkę po to, aby jak najszybciej pozbyć się ładunku zgromadzonego w pojemności bramka-źródło. Niższa wewnętrzna rezystancja wewnętrzna bramki zapewnia szybsze usuwanie ładunku, a dzięki temu, że SiC jako materiał półprzewodnikowy bazuje na nośnikach większościowych ładunku, tranzystor ten nie ma charakterystycznego ogona na charakterystyce czasowej przy przełączaniu.

Dla minimalizacji czasu przełączania tranzystora, wymóg sterowania bramki wysokim napięciem jest korzystny, bo zwiększa to wartość maksymalną prądu ładującego i rozładowującego pojemność bramka-źródło, a więc także skraca czas trwania tego procesu. Konstruktor może wpływać na szybkość przełączania tranzystora poprzez dobór rezystora w obwodzie bramki w zakresie 1-10 Ω i tym samym pośrednio także poprzez wydajność drivera.

Wymagana energia Eon sięga 500 µJ dla Rg=5 Ω w typowych warunkach pracy, a Eoff jest dwukrotnie mniejsza dla tych samych parametrów. Warto zauważyć, że tranzystory SiC mają najniższą wartość współczynnika FOM (Figure-of-Merit) równego R_DS(ON)·Qg spośród wszystkich elementów mocy na 1200 V.

Efekt Millera

Rys. 4. Przykład sterownika z trzema ścieżkami sterowania

Efekt Millera to niekontrolowane załączenie tranzystora na skutek istnienia pasożytniczej pojemności bramka-dren (Cgc na rysunku). Jest ona odpowiedzialna za przenikanie części napięcia wyjściowego (z drenu) na wejście (bramkę). Szybko narastające napięcie na drenie przenosi się przez Ggc na bramkę, wywołując wzrost napięcia prowadzący do niekontrolowanego załączenia tranzystora, a nawet do przebicia warstwy izolacyjnej chroniącej bramkę MOSFET-a.

Tranzystory z SiC są niestety także podatne na takie działanie. Wymusza to minimalizację wartości RG oraz stosowanie driverów zawierających potrójne obwody sterująca, a więc z oddzielną ścieżką włączania i wyłączania tranzystora, a także dodatkowym zwarciem bramki dla uniknięcia załączenia przez efekt Millera (rys. 3).

LASTENIC Laser & Electronics Sp. z o.o.
www.lastenic.com