+7 (499) 322-94-40
Показать меню
Скрыть меню

Статьи
Силовые модули на карбиде кремния компании Infineon

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.

1_Силовые-модули-на-карбиде-кремния-компании-Infineon.jpg

Рис.1. Сравнение характеристик Si и SiC

Таблица 1. Основные характеристики SiC, GaAs и Si

Наименование

Si

GaAs

SiC

Ширина запрещенной энергетической зоны, эВ

1,12

1,5

3,26

Подвижность электронов, см2/с-В

1400

9200

800

Подвижность дырок, см2/с-В

450

400

140

Концентрация собственных носителей, см-3 при 300К

1,5-1010

2,1106

5109

Скорость объемного заряда электронов, см/с-107

1,0

1,0

2,0

Критическая напряженность электрического поля, МВ/см

0,25

0,3

2,2

Теплопроводность, Вт/см-К

1,5

0,5

3,0-3,8

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 (ChemicalVaporDeposition), ионной имп­лантации, плазмохимии и т.п. Сегодняшний уровень разрабо­ток и производства позволяет получать исходный SiC в пласти­нах диаметром до 3 дюймов с 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-п-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.

2_Силовые-модули-на-карбиде-кремния-компании-Infineon.jpg

Рис.2. Силовой модуль PrimePack с SiC-диодами

3_Силовые-модули-на-карбиде-кремния-компании-Infineon.jpg

Рис.3. типичные потери переключения модуля FF600R12IS4F при температуре 125С

 

4_Силовые-модули-на-карбиде-кремния-компании-Infineon.jpg

Рис.4. Осциллограммы включения полумостового IGBT-модуля FF600R12IS4F с обратными SiC-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.

Таблица 2. Корпусные SiC-диоды

 

Т0220-2-2

T0220-2-1

T0263

T0263-2

T0252-3

 

T0220-DML

T0220-R2L

D2PAK

D2PAK-R2L

D-PAK

600В

IDTxxS60C

02,03,04,05,06,

08,10,12,16

IDHxxSG60C

02,03,04,05,06,

08,09,10,12,16

IDBxxS60C 06, 10

IDKxxSG60C

02,03,04,05,06,

08,09,10,12

IDDxxSG60C

02,03,04,05,06,

08,09,10,12

1200В

 

IDHxxSG120

02,05,08,10,15

 

IDK02SG120

      

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 SmartPACKI и SmartPIMI планируется в четвертом квартале 2009 года.

Е. Обжерин

 

Источник информации: http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_278_205.pdf


Правила портала и отказ от ответственности
Информационный специализированный ресурс vseibp.ru
Проект B2B-Studio.ru
Перейти к полной версии Перейти к мобильной версии