A SiC a szállításban – tervezési alapok
Korábbi lapszámainkban egy ideje már rendszeresen visszatérő írások foglalkoztak a szilíciumkarbid-alapú teljesítménykapcsolókkal, amelyek mind a kapcsolási sebességükkel, mind pedig a megvalósítható feszültségtartományukkal messze felülmúlják a hagyományos szilíciumtechnológia lehetőségeit. A jelen cikk ezek fizikájába és alkalmazástechnikai megfontolásaiba nyújt mélyebb betekintést.
Bevezetés
A megbízhatóság egyike a legfontosabb tulajdonságoknak, amelyeket a teljesítményfélvezetőktől elvárunk. Ugyanakkor a SiC- (szilíciumkarbid-) alapú félvezetőkkel kapcsolatban eddig nem vizsgáltuk alaposabban a lavinaletöréssel szembeni ellenállóképességet és más, a megbízhatóságot befolyásoló egyéb – az adatlapon nem szereplő – tulajdonságokat. Ebben a cikkben elemezzük azokat a követelményeket, amelyeket egy, az üzemzavarok esetén a nélkülözhetetlen energiaellátó funkciókat betöltő segédtápegység (Auxiliary Power Unit – APU) támaszt a teljesítményfélvezetőkkel szemben, és megfogalmazzák a SiC-alapú MOSFET-ek, diódák és kapumeghajtók ideális statikus és dinamikus jellemzőit.
Miért előnyös a széles tiltott sáv?
Minden teljesítményelektronikai mérnök számára elengedhetetlen, hogy általános ismeretekkel rendelkezzen a félvezetős teljesítménykapcsoló eszközök működésének fizikai alapjairól annak érdekében, hogy megérthesse az eszközöknek azokat a fizikai jelenségeit, amelyek miatt nem tekinthetők ideális elektromos kapcsolónak, és azt, hogyan érintik ezek a célalkalmazást.
Egy ideális kapcsoló ellenállása kikapcsolt állapotban végtelen, bekapcsolva viszont nulla, és az előírt pillanatban késedelem nélkül és zérus idő alatt változtatja meg állapotát e két működésmód között. Ezt a mennyiségi jellemzőkkel is kifejezve a legjobban – unipoláris jellege miatt – a MOSFET-alapú teljesítménykapcsoló közelíti meg. Egy teljesítménykapcsoló MOSFET bekapcsolt állapotban folyó áramát kizárólag többségi töltéshordozók (n-csatornás eszközöknél elektronok) egyirányú haladása adja. Miután a kapu-előfeszültség egy bizonyos küszöbérték alá csökken, a kisebbségi töltéshordozók bevitelének hiánya lehetővé teszi a töltésáramlás azonnali megszakítását.
Ezzel szemben egy bipoláris működésű eszköz az elektronok és elektronhiányok (lyukak) mozgásának vezérlésén alapul azáltal, hogy lyukakat injektálunk a bázisrétegbe, amely jelentősen megnöveli a vezetőképességet. Ezeket a beinjektált többlet-töltéshordozókat viszont – miközben annak állapota a bekapcsolásból a kikapcsolás felé változik – el kell távolítani az eszközből. Ennek egyik módja, hogy a kapumeghajtó áram irányának megfordításával töltéshordozókat vonunk ki a rétegből, de az elektronok és lyukak egyesülése, rekombinációja önmagában is képes az aktív töltéshordozók eltávolítására. Ez a – bipoláris eszközökre alapvetően jellemző – tulajdonság jelentős teljesítményveszteséget okoz, amely hozzájárul a kapcsolási tulajdonságok romlásához. Emiatt tehát az unipoláris eszközök (MOSFET-ek) jobban közelítik a három – fent leírt – ideális kritérium egyikét, amely szerint az ideális kapcsolóban azonnal megtörténik a váltás a be- és kikapcsolt állapotok között.
Hogyan javíthatók a kapcsoló tulajdonságai az ideális kapcsoló másik két kritériuma szerint?
Egy félvezető eszköz belsejében az elektromos áram az ún. driftrégióban folyik (2. ábra). Ennek a tartománynak az a szerepe, hogy kikapcsolt állapotba vezérlő zárófeszültség hatására teljes mértékben lezárjon. A magasabb zárófeszültséghez nagyobb csatornahosszúságra van szükség, amelyhez viszont nagyobb csatornaellenállás társul. Ez arra utal, hogy az ideális teljesítménykapcsolóhoz képest annál gyengébbek a paraméterek, minél nagyobb a névleges feszültség.
Ha a szilícium-alapanyag tulajdonságait vesszük szemügyre, a 200 V-nál nagyobb névleges feszültség elérése nehézségekbe ütközik, mivel azt túl nagy csatornahosszúsággal lehet csak megvalósítani (ami a szilíciumalapú megvalósítást mind villamos, mind pedig gazdasági szempontból versenyképtelenné teszi). A bipoláris eszközök – mint például az IGBT-k – különösen előnyösek az ilyen szituációkban (de a kapcsolási jellemzők szempontjából bizonyos kompromisszumokkal), míg a másik alternatívát a széles tiltott sávval rendelkező félvezetőanyagok használata jelenti, amelyeknél műszaki szempontból csak minimális kompromisszumot kell vállalni. Az 1. ábra kiemeli a széles tiltott sáv (a töltéshordozókat nem tartalmazó sáv) előnyeit. A széles tiltott sávú félvezetőanyagok fő előnye, hogy kikapcsolt állapotban jobbak a tulajdonságai (jobban közelítik az ideális szigetelőt – lásd az 1. ábrán balra), miközben bekapcsolt állapotban nagyon jó vezetőként viselkednek. (A töltéshordozók mozgékonysága mind a Si-, mind pedig a SiC-alapanyagban hasonlóan magas.)
1. ábra A valencia- és a vezetési sáv közötti szélesebb tiltott sáv teszi a SiC-félvezetőt jobb szigetelővé kikapcsolt állapotban, ami a MOSFET rétegvastagságának csökkentését teszi lehetővé
2. ábra A SiC széles tiltott sávjának fő hatása a sokkal vékonyabb drifttartomány, amely a legnagyobb hatású a teljes Rdson értékre
Melyek a széles tiltott sáv előnyei a célalkalmazásban?
Amint már említettük, a széles tiltott sávú félvezetők természetüknél fogva alkalmasak nagyon magas zárófeszültségű és gyors MOSFET-struktúrák gyártására. Ez különösen a rezonáns típusú DC/DC átalakítók megvalósításánál célszerű. Többet árul el erről az ilyen eszközöknek a 3.a ábrán látható kimeneti karakterisztikája. Összehasonlításként bemutatjuk a Si-IGBT karakterisztikáját is, amelyen az látható, hogy egy bizonyos keresztezési ponton túl, közel az eszköz névleges maximális áramához a SiC-MOSFET lényegesen jobb teljesítőképességet mutat (kisebb a feszültségesése). Ez végeredményben egy lapos hatásfokgörbét eredményez, ami minden olyan konverternél előnyös, amelynek a kis terheléstől a névleges teljesítménynél valamivel nagyobb terhelésig tartó széles teljesítménytartományban kell működnie.
A SiC-MOSFET egyik nagyon érdekes tulajdonsága a harmadik síknegyedbeli viselkedése, amit egyenirányítási síknegyednek is szokás nevezni (3.c ábra). Ebben az üzemmódban a SiC-MOSFET diódaként működik. Ha eközben be is kapcsoljuk a csatornát, ez rendkívül kis ellenállásúvá válik. Ilyenkor a kapcsolóeszköz mindkét irányban vezetőképes kapcsolóként viselkedik, majdnem azonos teljesítőképesség-adatokkal.
3. ábra A három legfontosabb elektromos jelleggörbe, amely közvetlenül befolyásolja a teljesítménykapcsoló-típus kiválasztását
A kapumeghajtás kihívásai – nagyobb kapufeszültség szükséges
A SiC-kapcsolóeszközök kapu-küszöbfeszültsége rendszerint nagyobb. Ennek egyik oka a szélesebb tiltott sáv, a másik pedig a magasabb a p-típusú alapréteg adalékkoncentrációja (lásd a 2. ábrát), elsősorban annak érdekében, hogy el lehessen kerülni a teljes rétegsor átütéséből eredő károsodást. Ez arra az alapvető problémára vezet, hogy csak (az Si-MOSFET-eknél megszokotthoz képest) jelentős nyitóirányú kapufeszültséggel lehet a SiC-MOSFET csatornáját teljes mértékben kinyitni. A 3.b ábrán látható a SiC-MOS – és összehasonlításul a Si-IGBT – tipikus transzfer karakterisztikája. Az olvasó láthatja, hogy a SiC-MOS nyitókarakterisztikája „laposabb”, ezért a minimális Rdson érték csak 20 V körüli kapufeszültségnél áll elő. Ebből következik, hogy a kapumeghajtónak folytonosan 20 V kapufeszültség előállítására kell képesnek lennie, és az a legjobb, ha ez a feszültség konfigurálható is.
A megmaradó kaputöltés miatt a SiC-MOS eszközöknél kötelező a negatív előfeszültség alkalmazása, és ennél is előnyös, ha konfigurálható az optimalizáció érdekében.
A majdnem ideális kapcsoló és az azt befoglaló tokozat által bevitt szórt parazitareaktanciák (lásd a 4. ábrát) feszültségtúllövések és lecsengő oszcillációk formájában megjelenő tranzienseket okozhatnak. A megoldás kulcsa
(a) a fejlett teljesítménykapcsoló modulok által az összes külső DC-kapcsolat, a csatlakozások, a kapuhoz vezető jelutak és a belső szórt paraméterek minimálisra csökkentése a Kelvin-típusú (négyvezetékes) kapuelektróda-csatlakozások használatát is beleértve;
(b) az optimalizált SiC-MOS technológia használata és
(c) amennyiben lehetséges, továbbfejlesztett kapumeghajtási eljárás alkalmazása például aktív kapufeszültség-szabályozással (Augmented Switching™), ami a 4. ábrán látható.
4. ábra A hatékony és megbízható SiC-MOS meghajtás érdekében használható kapumeghajtó és tokozat főbb megfontolásai
Összefoglalás
A SiC MOSFET-ek kiemelkedő kombinációt kínálnak a gyors kapcsolás és a nagyfeszültségű működés követelményeinek kielégítésére, amely ideális jelöltté teszi azokat a nagy teljesítményű segédtápegységek kapcsolóeszközeinek szerepére, különösen a kiváló harmadik síknegyedbeli viselkedésük miatt. Az olyan fejlődő alkalmazások, mint az akkumulátoros táplálású vonatok még vonzóbb választássá teszik ezeket, függetlenül attól, hogy „lágy” vagy „kemény” kapcsolási tulajdonságokra van-e szükség. A parazitahatások minimálisra csökkentése érdekében kifejlesztett tokozatok és a digitális kapumeghajtók képesek ezekből a „fenséges vadállatokból” a teljesítőképesség utolsó cseppjét is kipréselni.
Szerzők: Tomas Krecek, Nitesh Satheesh – Microchip Technology
