МОП-транзисторы из карбида кремния (SiC) обладают потрясающими новыми характеристиками и возможностями, но они также создают новые проблемы. Полупроводниковые приборы ROHM позволяют инженерам в полной мере использовать преимущества SiC-МОП-транзисторов, преодолевая при этом трудности, связанные с их управлением.

Расширяющийся МОП-транзисторы Возможности

Транзисторы периодически используются в качестве строительных блоков цифровой электроники. Изобретение транзистора на полупроводниковой основе, заменившего вакуумную лампу для электрической коммутации, позволило человечеству совершить один из величайших технологических скачков вперед.

Наиболее распространенным типом транзисторов в электронике является МОП-транзистор или полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника. Эти транзисторы используют преимущества особых свойств полупроводниковых материалов, позволяя небольшим сигналам электрического тока управлять переключением иногда гораздо больших сигналов тока. Один из видов МОП-транзистор он используется в качестве переключателя в цепях силовой электроники и специально оптимизирован для того, чтобы выдерживать высокие напряжения и пропускать ток нагрузки с минимальными потерями энергии.

Новый составной полупроводниковый материал, карбид кремния (SiC), обладающий рядом преимуществ перед кремнием при изготовлении этих МОП-транзисторов с переключением мощности, чрезвычайно прочен. SiC обладает в 10 раз большей напряженностью электрического поля пробоя, в 3 раза большей шириной запрещенной зоны и обеспечивает широкий диапазон управления p- и n-типа, необходимый для конструкции устройства. SiC также обладает в 3 раза большей теплопроводностью, что означает в 3 раза большую охлаждающую способность кремния.

Карбид кремния, также известный как карборунд, представляет собой сложный полупроводник, состоящий из кремния и углерода. Он встречается в природе в виде редкого минерала под названием муассанит, но массово производится с 19 века в качестве абразива. Компания SiC только недавно начала массовое производство высокотемпературных и высоковольтных полупроводниковых приборов, способных работать с высокой скоростью.

Популярность МОП-транзисторов SiC растет

Таким образом, МОП-транзистор, изготовленный из карбида кремния, представляет собой значительное усовершенствование по сравнению с одним только кремнием. МОП-транзисторы SiC обладают гораздо более высокими напряжениями пробоя, лучшей устойчивостью к охлаждению и перепадам температур и в результате могут быть физически значительно уменьшены в размерах. IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) в основном используются для переключения напряжений выше 600 В, но материалы из карбида кремния позволяют использовать МОП-транзисторы до 1700 В и более высоких токов. МОП-транзисторы SiC также имеют значительно меньшие потери при переключении, чем IGBT, и они могут работать на более высоких частотах.

Благодаря этим и другим преимуществам МОП-транзисторы SiC все чаще используются в источниках питания промышленного оборудования и инверторах/преобразователях для высокоэффективных кондиционеров.

Решения ROHM

Но МОП-транзисторы SiC также создают новые проблемы при проектировании схем. Что наиболее важно, им требуется сильноточный привод затвора для быстрой подачи полного требуемого заряда затвора (Qg). МОП-транзисторы SiC демонстрируют низкое сопротивление при включении только при питании от рекомендуемого напряжения от затвора до источника (Vgs) от 18 В до 20 В, что значительно выше, чем Vgs от 10 В до 15 В, необходимого для питания кремниевых МОП-транзисторов или IGBT.

Компания ROHM предлагает два взаимодополняющих решения проблемы, связанной с управлением МОП-транзисторами SiC. Первое — это новые пакетные инновации в их новейших устройствах SiC MOSFET. Второй — это устройство управления затвором MOSFET, способное выдавать ток до 20А. Вместе эти решения ROHM позволяют инженерам реализовать все преимущества, которые могут предложить устройства на МОП-транзисторах SiC.

МОП-транзисторы SiC с выводом источника драйвера

Новый РЕММОП-транзистор SiCинновации в упаковке добавляют pin-код для обеспечения источника питания отдельно от драйвера. В традиционном 3-контактном полевом транзисторе электродвижущая сила, возникающая на выводе источника из-за индуктивности вывода и высоких токов нагрузки через устройство, эффективно уменьшает Vgs, наблюдаемые транзистором. Это более низкое значение Vgs препятствует полному включению транзистора. В новом устройстве с отдельным выводом источника драйвера этот вывод обеспечивает прямой доступ от драйвера затвора к внутреннему источнику транзистора. Таким образом, исключается влияние индуктивности на вывод источника питания.

МОП-транзисторы SiC с отдельным выводом источника питания драйвера доступны в 4-контактных или 7-контактных корпусах. 4-контактный разъем представляет собой TO-247-4L и обозначается номерами деталей ROHM SCT3xxxAR или SCT3xxxKR. 7-контактный разъем представляет собой TO-263-7L и обозначается номерами деталей ROHM SCT3xxxAW7 или SCT3xxxKW7.

Рисунок 4: Комплект SiC MOSFET с отдельными выводами источника питания драйвера

Сильноточный привод затвора

Новый драйвер транзисторного затвора ROHM с гальванической развязкой (BM6112) идеально подходит для решения уникальных задач, связанных с управлением SiC-МОП-транзисторами. Он может управлять большими токами до 20А, напряжением на затворе до 20 В и выполнять все это с задержкой ввода-вывода менее 150 нс, макс. Обладая впечатляющим набором функций и квалификаций, включая изоляцию 3750 Vrms, блокировку от пониженного напряжения (UVLO) и защиту от короткого замыкания, этот драйвер затвора позволяет разработчику в полной мере использовать преимущества SiC-МОП-транзисторов.

Большинство традиционных драйверов затвора FET не способны напрямую управлять SiC-МОП-транзисторами, поэтому они требуют использования буфера между драйвером затвора и полевым транзистором. Однако BM6112 может напрямую управлять одиночными SiC-МОП-транзисторами в большинстве условий. Однако при приведении в действие силовых модулей почти всегда потребуется буфер привода затвора.

BM6112 сертифицирован для автомобильной промышленности (AEC-Q100) и подходит для применения в автомобилестроении, промышленных инверторах и системах ИБП.

Инновации приходят на помощь

Использование полупроводниковых материалов SiC представляет собой прорыв в технологии создания МОП-транзисторных устройств. МОП-транзисторы SiC отличаются быстродействием, высоким напряжением и высокой температурой. Они готовы заменить IGBT во многих областях применения благодаря более быстрой работе, меньшим размерам и меньшим потерям. Благодаря инновациям в упаковке, заключающимся в добавлении отдельного вывода источника драйвера и изолированных микросхем драйвера затвора для управления затворами SiC MOSFET, дизайнеры могут в полной мере использовать преимущества SiC MOSFET в своих проектах.

Для получения дополнительной информации посетите rohm.com и ознакомьтесь с этими ресурсами:

• Что такое полупроводники SiC?
• Примечание по применению силовых устройств и модулей SiC (PDF)
• Информация для заказа SiC MOSFET
• Спецификация драйвера затвора BM6112FV-C, обеспечивающего гальваническую развязку (PDF)

Авторы: Мин Су и Митч Ван Охтен, ROHM Semiconductor

Пожалуйста, ознакомьтесь с полным текстом статьи на сайте EE Times.