Comment appliquer les MOSFET SiC de XNUMXe génération aux conceptions d'alimentation pour des performances et une efficacité supérieures

Bien que ces nouveaux dispositifs offraient des avantages significatifs dans les mesures de performances clés, les concepteurs ont pris soin de se méfier des dispositifs SiC de première génération en raison de diverses limitations et incertitudes d'application. Les appareils de deuxième génération ont apporté avec eux des spécifications améliorées ainsi qu'une meilleure compréhension des subtilités de l'appareil. Alors que les performances des MOSFET SiC augmentaient et que les pressions pour la mise sur le marché s'intensifiaient, les concepteurs ont utilisé ces nouveaux dispositifs pour atteindre les objectifs du produit. Plus récemment, les dispositifs de troisième génération démontrent la maturité des dispositifs de puissance à base de SiC. Ces appareils offrent aux utilisateurs des améliorations dans les paramètres clés, tout en s'appuyant sur l'expérience de conception et les connaissances connexes des générations précédentes.

Cet article compare le Si au SiC, avant de discuter du développement et de la migration vers les MOSFET SiC de XNUMXème génération. Il présente ensuite des exemples réels de Toshiba Semiconductor and Storage Corp. (Toshiba) pour montrer comment ces dispositifs peuvent aider les concepteurs à réaliser des avancées significatives dans la conception des systèmes d'alimentation.

Silicium contre SiC

Au cours des dernières décennies, le MOSFET au silicium a transformé la conception des systèmes d'alimentation, des alimentations et onduleurs de base aux commandes de moteur. Avec le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) - un semi-conducteur fonctionnellement similaire mais de construction et d'attributs très différents - le MOSFET Si optimisé pour la commutation a permis la transition d'une gestion et d'une conversion de puissance traditionnelles et inefficaces, basées sur des topologies linéaires, à un approche plus efficace et compacte utilisant le contrôle commuté.

La plupart de ces conceptions utilisent une forme de modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour fournir et maintenir une valeur souhaitée de tension, de courant ou de puissance dans un agencement de rétroaction en boucle fermée. Au fur et à mesure que l'utilisation des MOSFET au silicium augmentait, les exigences qui leur étaient imposées augmentaient également. De plus, de nouveaux objectifs d'efficacité (dont beaucoup sont basés sur des mandats réglementaires), des marchés plus intelligents du contrôle moteur et des véhicules électriques, la conversion d'énergie pour les énergies renouvelables et les systèmes de stockage d'énergie associés, ont poussé ces MOSFET à faire plus et mieux.

En conséquence, une quantité considérable d'efforts de R&D a amélioré les performances des MOSFET à base de silicium, mais les chercheurs ont réalisé que cet effort atteignait le point de rendements décroissants. Heureusement, ils avaient une alternative, en théorie, basée sur des dispositifs de commutation de puissance qui utilisaient du SiC comme substrat au lieu du silicium.

Pourquoi utiliser le SiC ?

Pour diverses raisons de physique profonde, le SiC présente trois caractéristiques électriques principales qui diffèrent considérablement du silicium, chacune apportant des avantages opérationnels ; il existe également d'autres différences plus subtiles (Figure 1).

Figure 1 : Comparaison approximative entre les principales propriétés des matériaux solides du SiC par rapport à celles du Si et du nitrure de gallium (GaN). (Source de l'image : Researchgate)

Les trois caractéristiques principales sont :

• Tension de claquage de champ électrique critique plus élevée d'environ 2.8 mégavolts/centimètre (MV/cm) contre 0.3 MV/cm, de sorte qu'un fonctionnement à une tension nominale donnée est possible avec une couche beaucoup plus mince, ce qui réduit considérablement la résistance "on" de la source de drain (RDS_(sur)).
• Conductivité thermique plus élevée, permettant une densité de courant plus élevée sur une section transversale.
• Une bande interdite plus large (la différence d'énergie en électron-volts entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction dans les semi-conducteurs et les isolants), entraînant un courant de fuite plus faible à haute température. Pour cette raison, les diodes SiC et les transistors à effet de champ (FET) sont souvent appelés dispositifs à large bande passante (WBG).

En conséquence, les dispositifs à base de SiC peuvent bloquer des tensions jusqu'à dix fois plus élevées que les structures en silicium, peuvent commuter environ dix fois plus rapidement et avoir un RDS_(sur) la moitié ou moins à 25 °C, en utilisant la même surface de matrice (tous les chiffres sont approximatifs, bien sûr). De plus, la perte liée à la déconnexion des dispositifs SiC est moindre car il n'y a pas de courant de queue gênant. Dans le même temps, sa capacité à fonctionner à des températures beaucoup plus élevées, autour de 200°C, contre 125°C, facilite les problèmes de conception et de gestion thermique.

En raison de leurs attributs de performance et de leurs avancées, les dispositifs SiC se sont hissés au sommet de la matrice d'application puissance/vitesse, rejoignant les IGBT, les MOSFET au silicium et les dispositifs GaN (Figure 2).

Figure 2 : Les attributs de performance des MOSFET SiC les rendent adaptés à une large gamme d'applications couvrant une gamme de puissances et de fréquences. (Source de l'image : Toshiba)

Le passage de la science des matériaux SiC et de la physique des dispositifs aux MOSFET SiC commerciaux n'a été ni rapide ni facile (Figure 3). Après d'importants efforts de recherche et de production, les premiers dispositifs à base de SiC, les diodes Schottky, ont été introduits en 2001. Au cours des deux décennies suivantes, l'industrie a développé et lancé des volumes de production de MOSFET SiC de première, deuxième et troisième génération. Chaque génération offre des améliorations spécifiques à certains paramètres, ainsi que des compromis quelque peu différents.

Figure 3 : L'histoire des dispositifs commerciaux à base de SiC commence avec les premières diodes Schottky SiC commerciales, qui sont apparues en 2001. (Source de l'image : IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

Il est important d'être clair sur la terminologie : comme leurs prédécesseurs en silicium, les FET SiC sont des MOSFET. Au sens large, les structures physiques internes sont similaires et les deux sont des dispositifs à trois bornes avec des connexions de source, de drain et de grille. La différence réside dans ce que leurs noms indiquent : les FETS à base de SiC utilisent du SiC comme matériau de base au lieu du simple silicium.

Commencez par la première et la deuxième génération

De nombreux paramètres caractérisent les performances d'un appareil de commutation. Parmi les nombreux paramètres statiques figurent la tension de fonctionnement maximale et le courant nominal maximal, ainsi que deux facteurs de mérite statiques (FoM) : le RDS_(sur) et la température de fonctionnement maximale, qui sont liées à la capacité de gestion de la puissance pour une taille de puce et un boîtier donnés.

Lorsqu'il s'agit d'appareils de commutation, les paramètres dynamiques sont également essentiels, car ils sont nécessaires pour évaluer les pertes de commutation. Le FoM dynamique le plus cité est le produit du RDS_(sur) et la charge de la porte, RDS_(sur) ×Q_g, tandis qu'un autre de plus en plus important est la charge de récupération inversée, Q_rr. La taille et les capacités du pilote de grille nécessaires pour alimenter et décharger correctement le courant vers le dispositif de commutation - et pour le faire sans dépassement, sonnerie ou autres distorsions - sont principalement déterminées par ces FoM.

L'utilisation et la croissance du marché des dispositifs SiC de première génération ont été freinées par des problèmes de fiabilité. L'une d'elles est celle des diodes PN, qui sont placées entre l'alimentation et le drain d'un MOSFET de puissance. La tension appliquée à la diode PN l'excite, ce qui entraîne une modification de la résistance passante qui dégrade la fiabilité de l'appareil.

La deuxième génération de Toshiba a modifié la structure de base du dispositif SiC en utilisant une diode à barrière Schottky (SBD) intégrée dans le MOSFET pour résoudre en grande partie ce problème (Figure 4). Cela a amélioré la fiabilité de plus d'un ordre de grandeur. La nouvelle structure évitait d'alimenter la diode PN en plaçant le SBD en parallèle avec la diode PN à l'intérieur de la cellule. Le courant circule à travers le SBD intégré car sa tension d'état d'activation est inférieure à celle de la diode PN, supprimant ainsi certains changements dans la résistance d'activation et la dégradation de la fiabilité du MOSFET.

Figure 4 : Contrairement au MOSFET SiC typique sans diode à barrière Schottky interne (SBD) (à gauche), celui qui en a une (à droite) peut minimiser l'excitation de la diode PN parasite. (Source de l'image : Toshiba)

Les MOSFET avec SBD intégrés étaient déjà utilisés dans la pratique, mais uniquement dans les produits haute tension, tels que les appareils de 3.3 kilovolts (kV), car le SBD intégré a finalement fait monter la résistance à un niveau qu'eux seuls pouvaient tolérer les produits à haute tension. Toshiba a réglé divers paramètres de l'appareil et a constaté que le rapport de surface du SBD dans un MOSFET est la clé pour supprimer l'augmentation de la résistance à l'état passant. En optimisant le rapport SBD, Toshiba a conçu un MOSFET SiC de classe 1.2 kV avec une fiabilité nettement améliorée.

Cependant, comme pour de nombreuses améliorations, des compromis ont dû être faits. Bien que la nouvelle structure de l'appareil ait considérablement amélioré la fiabilité, elle a également eu un effet néfaste sur deux FoM. DTS accru_(sur) nominal ainsi que le RDS_(sur) ×Q_g, réduisant les performances du MOSFET. Pour compenser et réduire la résistance à l'état passant, les MOSFET SiC de deuxième génération ont une surface de puce accrue, mais cela a augmenté le coût.

La troisième génération montre une vraie maturité

Conscient de cette préoccupation, Toshiba a développé une troisième génération de dispositifs MOSFET SiC, appelée famille TWXXXN65C/TWXXXN120C. Ces dispositifs ont optimisé la structure de la couche de distribution de courant pour réduire la taille de la cellule et offrent également des tensions nominales plus élevées, une commutation plus rapide et une résistance à l'état passant plus faible.

La résistance à l'état passant est réduite en partie par la réduction de la résistance de propagation (R_propagation). Le courant SBD est augmenté en injectant de l'azote dans le fond de la large région de puits P du MOSFET SiC. Toshiba a également réduit la région du JFET et injecté de l'azote pour réduire la capacité de rétroaction et la résistance du JFET. En conséquence, la capacité de rétroaction a été réduite sans augmenter la résistance d'activation. Un fonctionnement stable sans fluctuation de la résistance de connexion a également été obtenu par le positionnement optimisé du SBD.

Aujourd'hui, la famille se compose de MOSFET SiC 650 et 1.200 volts conçus pour les applications industrielles à haute puissance telles que les alimentations AC/DC 400 et 800 volts, les onduleurs photovoltaïques (PV) et les convertisseurs DC/DC bidirectionnels pour les systèmes électriques. (UPS). Les MOSFET SiC 650 volts et 1.200 volts sont proposés dans le boîtier TO-247 à trois bornes standard de l'industrie (Figure 5).

Figure 5 : Logés dans un boîtier T0-247 standard, les MOSFET SiC de 650e génération 1200 volts et XNUMX volts de Toshiba conviennent à une large gamme d'applications de conversion, de contrôle et de gestion de puissance. (Source de l'image : Toshiba)

Dans ces MOSFET SiC de troisième génération, le RDS_(sur) ×Q_g Le FoM est réduit de 80 % par rapport aux appareils de deuxième génération de Toshiba - une baisse significative - tandis que la perte de commutation est réduite d'environ 20 %. La technologie de diode à barrière Schottky intégrée offre également une tension directe (V_F) extrêmement bas.

Il existe d'autres subtilités de conception associées aux MOSFET. Par exemple, V_ESG. le V_ESG est la tension maximale qui peut être appliquée entre la grille et la source lorsque le drain et la source sont court-circuités. Pour les dispositifs SiC de troisième génération, la plage de V_ESG il est de 10 à 25 volts, 18 volts étant la valeur recommandée. Les indices larges de V_ESG Ils contribuent à faciliter la conception et à améliorer la fiabilité de la conception.

De plus, la faible résistance et la tension de seuil de grille plus élevée (VGS_(e)) -la tension à laquelle le canal du MOSFET commence à conduire - aide àprévenir les dysfonctionnements tels que la mise sous tension accidentelle due à des pointes, des problèmes et des dépassements. Cette tension varie de 3.0 à 5.0 volts, ce qui permet d'assurer des performances de commutation prévisibles avec une dérive minimale, tout en permettant une conception simple du pilote de grille.

Un regard sur les MOSFET SiC 650 et 1200 Volt de XNUMXe génération

Un regard sur deux appareils aux extrémités opposées du spectre familial, les appareils 650 et 1200 volts, montre l'étendue de leurs capacités. Le boîtier physique, la disposition des broches et le symbole schématique pour chacun d'eux sont identiques (Figure 6), mais les détails diffèrent.

Figure 6 : Tous les membres de la famille de MOSFET SiC de troisième génération de Toshiba ont la même disposition physique et le même symbole schématique ; notez la diode de barrière Schottky intégrée dans le symbole. (Source de l'image : Toshiba)

Un appareil de 650 volts est le TW015N65C, un appareil à canal N de 100 ampères (A) de 342 watts. Ses valeurs de spécification typiques sont une capacité d'entrée (C_ISS) de 4.850 XNUMX picofarads (pF), une faible charge d'entrée de grille (Q_g) de 128 nanocoulombs (nC), et un R_{DS (activé)} seulement 15 milliohms (mΩ) nominal.

Outre des tableaux de valeurs minimales, typiques et maximales pour les paramètres statiques et dynamiques, la fiche technique contient des graphiques montrant les performances des paramètres critiques par rapport à des facteurs tels que la température, le courant de drain et la tension grille-source ( V_GS). Par exemple, la figure 7 montre la valeur RDS_(sur) en fonction de la température, le courant de drain (I_D) et la tension grille-source V_GS.

Figure 7 : Les graphiques caractérisant la résistance à l'enclenchement du TWO15N65C sont présentés sous différentes perspectives, y compris le courant de drain, la température ambiante et V_GS. (Source de l'image : Toshiba)

Le même ensemble de spécifications et de graphiques est illustré à la Figure 8 pour les appareils de 1200 140 volts, tels que le TW120N20C, un appareil à canal N de 107 watts et XNUMX A. Ce MOSFET SiC présente un faible C_ISS de 6000 pF, une charge d'entrée sur la grille (Q_g) de 158 nanocoulombs (nC) et un R_{DS (activé)} de 140mΩ.

Figure 8 : Courbes de caractérisation de la résistance à l'allumage du TW140N120C. (Source de l'image : Toshiba)

Les dix MOSFET SiC de troisième génération disponibles comprennent cinq dispositifs de 650 volts ainsi que cinq dispositifs de 1200 volts. À 25 °C, ils ont les valeurs suivantes de résistance à l'état passant, de courant et de puissance :

650 volts :

• 15 mΩ, 100 A, 342 watts (le TWO15N65C)
• 27 mΩ, 58 A, 156 watts
• 48 mΩ, 40 A, 132 watts
• 83 mΩ, 30 A, 111 watts
• 107 mΩ, 20 A, 70 watts

1200 volts :

• 15 mΩ, 100 A, 431 watts
• 30 mΩ, 60 A, 249 watts
• 45 mΩ, 40 A, 182 watts
• 60 mΩ, 36 A, 170 watts
• 140 mΩ, 20 A, 107 watts (le TW140N120C)

Conclusion:

Les MOSFET en carbure de silicium offrent une amélioration significative des paramètres de commutation critiques, par rapport aux dispositifs uniquement en silicium. Par rapport aux générations précédentes, les composants SiC de troisième génération offrent de meilleures spécifications et FoM, une plus grande fiabilité, une meilleure caractérisation des exigences du pilote de grille et une meilleure compréhension des inévitables subtilités de conception. Avec ces MOSFET SiC, les concepteurs de systèmes électriques disposent d'une ressource de base supplémentaire qu'ils peuvent utiliser pour obtenir un rendement plus élevé, une taille plus petite et de meilleures performances globales.

source: https://www.digikey.es/es/articles/how-to-apply-third-generation-sic-mosfets-to-power-designs