Nowe rozwiązania technologiczne tranzystorów MOSFET - jak daleko sięgną w obszar zajęty przez IGBT?

Rys. 1. Porównanie struktur tranzystorów MOSFET o strukturze planarnej (po lewej) i z kanałem rowkowym (trench-gate) IGBT (po prawej)

MOSFET-y sprawdzały się w aplikacjach, gdzie trzeba było przełączać sygnały z dużą szybkością i wysoką efektywnością energetyczną. Ich wadą była mniejsza niezawodność i większa podatność na stany nieustalone. Maksymalne wartości parametrów definiujących obciążalność również relatywnie były gorsze niż dla IGBT.

Te ostatnie są wolniejsze, mają większe straty w stanie przewodzenia i te związane z procesem przełączania. Ale z kolei rzadziej ulegają uszkodzeniu w czasie stanów nieustalonych i pozwalają na obciążanie dużymi prądami i napięciami. Stąd MOSFET-y były częściej obecne w układach elektronicznych, te drugie - w energoelektronicznych.

Ta generalna zasada i podział zaczynają się zmieniać, bo na rynek wchodzą nowe opracowania tranzystorów przełączających, w których poprawiono kluczowe parametry obu tych grup elementów. Producenci tacy jak STMicroelectronics, ON Semiconductor i Fairchild wkładają wiele wysiłku w rozwój, co powoduje, że dość wyraźnie zarysowany rozdział obu typów przestaje być już tak łatwo dostrzegalny i pojawia się wspólna szara strefa, gdzie IGBT i MOSFET-y zapewniają podobne właściwości.

Niniejszy artykuł prezentuje właściwości takich elementów najnowszych generacji i pokazuje, w jaki sposób dobierać je do pracy w konkretnych aplikacjach.

Szybkość i efektywność

Rys. 2. Efektywność aplikacyjna planarnego tranzystora MOSFET (FDB44N25) oraz podobnego elementu z kanałem rowkowym (trench) (FDB2710) w czasie włączania (po lewej) i wyłączania (po prawej)

Duża część usprawnień technologii dotyczy poprawy maksymalnej szybkości przełączania, a dokładniej możliwości bardziej precyzyjnego i dokładnego sterowania mocą wyjściową. Jest to także dążenie do zapewnienia szybszej reakcji na stany przejściowe i zmiany obciążenia. Po stronie większej efektywności zmiany prowadzą do poprawy sprawności konwersji energii poprzez minimalizację strat przełączania oraz w czasie przewodzenia.

W przypadku tranzystorów bipolarnych (będących częścią struktury IGBT) usprawnienia koncentrują się na poprawie relatywnie wolnego procesu wyłączania, który prowadzi do powstania tzw. ogona prądowego. W nowych tranzystorach IGBT problem ten praktycznie już nie istnieje, tak samo wyeliminowano zjawisko zatrzaskiwania się (latch up) utrzymujące tranzystor w stanie załączenia bez względu na sygnał sterujący. Producenci wkładają też wiele wysiłku w obniżenie napięcia nasycenia U_CE(SAT), które odpowiada za większość strat w stanie przewodzenia.

Innym istotnym problemem IGBT jest dodatni współczynnik temperaturowy, który stwarzał problemy w łączeniu równoległym tych tranzystorów w aplikacjach dużej mocy. Tranzystor, który był w takim tandemie najgorzej chłodzony, przejmował wraz ze wzrostem temperatury coraz większy prąd. Proces ten w skrajnym przypadku prowadził do termicznej destabilizacji i uszkodzenia całej gałęzi.

Tabela 1. Przegląd rodzin IGBT o niskich stratach i dużej szybkości przełączania

Rozwiązanie tego problemu nie było proste, ale wraz z kolejnymi technologiami planarnymi, takimi jak Punch-Through (PT) i Non-Punch-Through (NPT) widać było stopniową poprawę parametrów. Aż w końcu w rozwiązaniach o nazwie trench-gate field-stop (rys. 1) w zasadzie problem niestabilności termicznej całkiem zniknął.

Dodatkowo nowe technologie spowodowały zmniejszenie fizycznego rozmiaru struktury tranzystorów, co głównie przełożyło się na niższą cenę, bo z jednego krążka krzemowego można wyciąć więcej elementów. Ale mniejsza struktura to też większa szybkość działania, słabsze oddziaływanie pasożytniczych reaktancji, co przekłada się na mniejszy ogon prądowy i niższe straty w czasie przełączania. Mniejsza struktura daje też niższą wartość napięcia nasycenia (kolektor-emiter w stanie przewodzenia) w IGBT.

Mniejsze straty pozwalają w tym wypadku podnieść ponadto gęstość mocy w strukturze, a więc pośrednio zwiększyć obciążalność pojedynczego tranzystora. W stosunku do pierwszych IGBT te obecne przełączają o 50% większe prądy (tab. 1).

Niska rezystancja w stanie przewodzenia

Rys. 3. Efekt istnienia reaktancji pasożytniczej w obwodzie źródła w momencie włączania tranzystora

Podobnie jak w IGBT, w ostatnich dwóch dekadach tranzystory MOSFET także przeszły proces znaczących zmian technologicznych. Dawniej miały one strukturę planarną. Kontakt bramki był umieszczony poziomo w stosunku do reszty struktury, a aktualnie kształt przypomina literę V, co osiągnięto przez pionowe zagłębienie złącza do wewnątrz półprzewodnika (tzw. trench-gate). Taka konstrukcja pozwala lepiej wykorzystać materiał półprzewodnikowy i tworzyć połączenia o bardzo małej rezystancji (super junction).

Co ciekawe, tranzystory z kanałem w kształcie litery V nie wyparły z rynku wersji planarnych (płaskich). Są one nadal w sprzedaży, bo mają dobre parametry Forward Biased Safe Operating Area (FBSOA) i Unclamped Inductive Switching (UIS) istotne przy pracy z obciążeniem o charakterze indukcyjnym.

Ten pierwszy określa zdolność do tolerowania przepięć w czasie, gdy obwód bramki jest spolaryzowany w kierunku przewodzenia, poprzez wskazanie napięcia maksymalnego dren-źródło w takim obszarze FBSOA. Im parametr jest większy, tym szansa, że MOSFET ulegnie uszkodzeniu na skutek przepięcia, maleje. Drugi parametr określa zdolność do pochłaniania energii przepięcia od obciążenia indukcyjnego.

Badania mówią, że ponadto wsteczna charakterystyka diody równoległej towarzyszącej strukturze MOSFET-a w nowych rozwiązaniach jest znacznie lepsza w porównaniu do starszych wersji planarnych (rys. 2). Wynika to stąd, że duża objętość krzemu w starszych elementach zwiększa inercję termiczną tych elementów. Ciepło przez to wolniej się rozprasza, co powoduje, że starsze struktury bardziej się przegrzewają. Większy rozmiar struktury diody równoległej w tranzystorze planarnym to także większe reaktancje pasożytnicze, które spowalniają proces przełączania.

Jak dobrze wybrać tranzystor?

Rys. 4. Podział obszaru aplikacyjny dla IGBT i MOSFET

Biorąc pod uwagę powyższe rozważania, można stwierdzić, że wybór tranzystora MOSFET do aplikacji powinien być poprzedzony analizą:

• wartości reaktancji pasożytniczych istniejących w otoczeniu tranzystora,
• warunków termicznych panujących w aplikacji,
• określenia żądanej wartości odporności na przeciążenia i stany nieustalone.

Z powyższej listy najbardziej istotne są reaktancje pasożytnicze, bo mogą one uszkodzić tranzystor na skutek powstających rezonansów i oscylacji, zwolnić proces przełączania, a więc pogorszyć sprawność urządzenia, a także spowodować niekorzystny rozpływ prądu pomiędzy kilkoma tranzystorami połączonymi równolegle przy sterowaniu w aplikacjach dużej mocy.

Największe znaczenie ma reaktancja w kontakcie źródła, ponieważ napięcie, które się na niej indukuje, przenosi się do obwodu bramki i tworzy rodzaj lokalnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, które spowalnia narastanie napięcia w jej obwodzie. W skrajnym przypadku może ona doprowadzić także do przekroczenia dopuszczalnego napięcia bramka-źródło i przebicia warstwy tlenku izolującego kanał.

W połączeniu pojemności bramka-źródło reaktancje pasożytnicze tworzą też kłopotliwe oscylacje i podwzbudzenia w obwodzie wyjściowym drivera sterującego.

Kłopotliwe są także reaktancje pasożytnicze w obwodzie drenu, które także powodują oscylacje w momencie wyłączania tranzystora. Muszą być one tłumione obwodami gasikowymi. Z kolei w czasie załączania problemy stwarza efekt Millera, a więc "przenoszenie się" na obwód bramki szybko narastającego napięcia na drenie przez pojemność bramka-dren (rys. 3). Stąd minimalizacja pasożytniczych efektów wymaga działań we wszystkich miejscach projektu: wewnątrz elementu półprzewodnikowego i na płytce drukowanej.

MOSFET czy IGBT?

Rys. 5. Porównanie efektywności IGBT i MOSFET-ów w funkcji prądu przewodzenia

Gdy warunki pracy są typowe, do wielu aplikacji wybór modelu tranzystora ten jest prosty. Niemniej, gdy obszar pracy dotyczy wspomnianej szarej strefy parametrów, decyzja przestaje być prosta, zwłaszcza że na rynku jest coraz więcej podzespołów bazujących na węgliku krzemu, zapewniającego bardzo dobre parametry MOSFET-om kosztem wyższej ceny.

Można przyjąć, że aplikacje zasilane napięciem powyżej 250 V i przełączające sygnały z szybkością 10-200 kHz o mocy powyżej 500 W (rys. 4 i 5) zaliczają się do takiego właśnie niełatwego obszaru decyzyjnego.

Przewagą MOSFET-a może być zintegrowana dioda, która upraszcza budowę mostkowych stopni mocy, a dodatkowo dla tranzystorów do 200 V, z rodzin takich, jak STM F7, NXP PowerMOS Trench 9 i Trench 8 oraz Vishay Generation IV, jest ona bardzo szybka. Dla równoważnego układu z IGBT trzeba ją dołączyć osobno lub kupić specjalną wersję hybrydową, a więc realizacja jest droższa.

W aplikacjach zasilanych napięciem wyższym niż 500 V wybór jest jeszcze trudniejszy, bo pojawiły się tranzystory MOSFET Super Junction (SJ), MDmesh II, MDmesh V, FDmesh II i SuperMESH 5 firmy STMicroelectronics, SuperFet II, Easy Drive, Fast, Fast Recovery (FRFET) produkowane przez Fairchilda, a także rodziny E i EF firmy Vishay. One są realną alternatywą dla IGBT w tym obszarze i pozwalają na budowę tanich i wydajnych układów mostkowych. Jedyną wadą jest to, że dioda równoległa jest tu wolniejsza niż w IGBT.

Przy jeszcze większym napięciu zasilającym, rzędu 600 V, trudno o inną alternatywę dla IGBT. Ich napięcie nasycenia jest w zasadzie stałe, więc im większe napięcie, tym procentowe straty mocy są mniejsze. A w MOSFET-ach rezystancja w stanie załączenia jest duża - widać to wyraźnie w parametrach dla elementów na wysokie napięcie.

Jak widać, wybór nie jest łatwy, bo na rynku jest coraz więcej rozwiązań o dobrych parametrach i różniących się drobnymi szczegółami. Co więcej, opisane rozważania skupiały się praktycznie wyłącznie na aspektach technicznych, całkowicie pomijając to, że oprócz wydajności, strat, napięć i procesu technologicznego, liczy się jeszcze cena!

Future Electronics Polska
www.futureelectronics.com