Высоковольтные диоды Шотки из карбида кремния в источниках питания с преобразованием частоты

№ 5’2004
Полевые транзисторы, диоды и другие электронные приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них — возможность работы при температурах до 600 °С, высокое быстродействие и высокая радиационная стойкость.

Полевые транзисторы, диоды и другие электронные приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них — возможность работы при температурах до 600 °С, высокое быстродействие и высокая радиационная стойкость.

Введение

Тенденция последних лет к миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры предъявляет жесткие требования к вторичным источникам электропитания (ИВЭП) в части увеличения их удельной мощности без потерь функциональных возможностей. Это в свою очередь требует повышения эффективности ИВЭП, снижения тепловой нагрузки элементов при одновременном уменьшении объема, увеличении частоты преобразования, снижения электромагнитных и радиопомех. Для достижения указанных целей помимо новых схемотехнических решений, снижающих потери в ИВЭП, требуется улучшать и характеристики силовых полупроводниковых приборов.

Как известно, существенный вклад в потери в источниках электропитания с преобразованием частоты вносит эффект обратного восстановления мощных высоковольтных диодов. В первую очередь это касается активных корректоров коэффициента мощности (ККМ), снабберных диодов инверторов с прямоугольной формой тока, в том числе и антипараллельных диодов мощных MOSFET и IGBT, выпрямителей с выходным напряжением более 100 В и частотой выше 100 кГц. Большие токи при обратном восстановлении диодов также являются причиной возникновения радиопомех, что требует применения экранов, увеличивающих массу и габариты устройства. Появление диодов с ультрабыстрым восстановлением, таких, как HEXFRED™, позволило лишь частично решить указанные проблемы. Практически кардинально решить проблемы обратного восстановления позволяет использование диодов на основе карбида кремния (SiC). Полевые транзисторы, диоды и другие электронные приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них — возможность работы при температурах до 600 °С, высокое быстродействие и высокая радиационная стойкость. Электронные приборы на основе SiC, включая в перспективе и интегральные схемы, найдут самое широкое применение в научном и коммерческом применении на Земле и в космосе [1].

Таблица 1
Таблица 1

Свойства и характеристики SiC

Хотя существует около 170 известных политипов карбида кремния, только два из них доступны для серийного изготовления полупроводниковых приборов — это 4H-SiC и 6H-SiC. Для большинства полупроводниковых приборов предпочтительным является политип 4H-SiC благодаря большей подвижности электронов. В таблице 1 приводится сравнение основных электронных свойств 4H-SiC с кремниевыми (Si) и арсенидгалиевыми (GaAs) полупроводниковыми материалами [2].

Основные преимущества 4H-SiC в сравнении с Si и GaAs:

  1. Напряженность электрического поля пробоя 4H-SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии Ron. На рис. 1 показана зависимость Ron от напряжения пробоя кристалла. Можно видеть, что при напряжении 600 В SiC-диод имеет Ron я 1,4 мОм-см2, GaAs-диод — Ron я 6,5 мОм-см2, Si-диод — Ron я 70 мОм-см2. Малое сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать очень маленькие по размерам кристаллы для силовых приборов.
  2. Большая ширина запрещенной энергетической зоны является результатом более высокого барьера Шоттки по сравнению с Si и GaAs. В результате чрезвычайно малый ток утечки (менее 70 мкА при 200 °С) при повышенной температуре кристалла снижает термоэлектронную эмиссию запредела-ми барьера.
  3. Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (почти в два раза по сравнению с Si-диодами).
  4. SiC-диодов
<img class=»wp-image-133555 size-full» src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/20p1-2.png» alt=»Рис. 1. Зависимость Ron от пробивного напряжения» title=»» width=»474″ height=»395″>
Рис. 1. Зависимость Ron от пробивного напряжения

На рис. 2 показана типовая зависимость прямого падения напряжения от тока при различных температурах Si- и SiC-диодов. Поскольку с ростом температуры у карбида кремния снижается подвижность электронов и повышается сопротивление в открытом состоянии, прямое падение напряжения, в отличие от кремниевых диодов, имеет положительный температурный коэффициент.

При Tj = 25 °С прямое падение у карбид-кремниевых диодов ниже, чем у кремниевых. С повышением температуры до Tj = 50.. .70 °С величины падений напряжения при характеристическом токе становятся приблизительно одинаковыми. Однако положительный температурный коэффициент имеет важное достоинство: появляется возможность параллельного включения любого количества кристаллов без дополнительных мер по выравниванию токов. С учетом малых по сравнению с кремниевыми диодами размеров кристаллов SiC-диодов возможно изготовление мощных высоковольтных сборок в малогабаритных корпусах.

<img class=»wp-image-133557 size-full» src=»https://kit-e.ru/wp-content/uploads/20p2-3.png» alt=»Рис. 3. Зависимость заряда обратного восстановления Qrr Si-диода и емкостного заряда Qc SiO-диода от di/dt» title=»» width=»500″ height=»422″>
Рис. 3. Зависимость заряда обратного восстановления Qrr Si-диода и емкостного заряда Qc SiO-диода от di/dt

В отличие от pn-диодов, выключение pin-диодов Шоттки не сопровождается процессом рассасывания заряда в области n и ток обратного восстановления отсутствует. Существует лишь незначительный ток заряда емкости перехода. Поэтому по аналогии с зарядом обратного восстановления Qrr pn-диодов вводят понятие емкостного заряда Qc pin-ди-одов Шоттки. На рис. 3 показаны зависимости зарядов Qrr и Qc от скорости спада тока через диод.

Можно видеть, что величина емкостного заряда практически не зависит от di/dt, в то время как заряд обратного восстановления увеличивается, и, соответственно, растут потери на высоких частотах.

На рис. 4 показаны осциллограммы токов, протекающих через SiC- и Si-диоды при их выключении.

Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения от прямого тока при различных температурах
Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения от прямого тока при различных температурах

Ток через SiC-диод Шоттки имеет характер слабого переходного процесса, амплитуда которого не зависит от температуры, в то время как у ультрабыстрого pn-диода наблюдается ярко выраженный эффект обратного восстановления, причем амплитуда тока и временной интервал его протекания имеют существенную температурную зависимость.

Производство SiC-кристаллов и приборов на их основе

Большинство важных электрических характеристик карбида кремния были известны давно. На заре развития полупроводниковой электроники SiC рассматривался в качестве материала для изготовления транзисторов раньше, чем кремний и германий. Однако не было технологических возможностей получения требуемого качества, размеров и необходимых количеств кристаллов для массового производства полупроводниковых приборов. Большинство монокристаллов полупроводниковых материалов производят по методу Чохральского путем расплава поликристаллического сырья с последующей кристаллизацией в монокристалл больших размеров. Но поскольку для получения карбида кремния требовалось высокое давление, традиционные технологии были не применимы. Это не позволяло использовать карбид кремния для массового производства полупроводников, и его вытеснили кремний и германий [3].

Рис. 4. Форма тока через SiC-диод CSD10060 (Cree) и Si-FRED-диод DSEI12-06A (IXYS)
Рис. 4. Форма тока через SiC-диод CSD10060 (Cree) и Si-FRED-диод DSEI12-06A (IXYS)
Таблица 2. Высоковольтные диоды Шоттки производства Cree Inc.
Таблица 2. Высоковольтные диоды Шоттки производства Cree Inc.

Интерес к развитию производства приборов на основе SiC возобновился в начале 80-х годов XX века, развивались новые технологии производства монокристаллов, и в 1989 году компания Cree Research разработала технологию и представила первый в мире доступный для коммерческого использования монокристалл диаметром 2,5 см.

В настоящее время компания Cree Inc. является одним из лидеров в производстве кристаллов карбида кремния для компонентов силовой электроники, светодиодов с длиной волны излучения 250…280 нм, ВЧ- и СВЧ-транзисторов. Номенклатура высоковольтных (600-1200 В) диодов Шоттки ZERO RECOVERY™ производства Cree Inc. приведена в таблице 2.

Применение SiC-диодов Шоттки в активных корректорах коэффициента мощности

Одним из основных компонентов, определяющих массогабаритные показатели корректоров коэффициента мощности (ККМ), является дроссель бустерного преобразователя. Уменьшение его размеров возможно за счет повышения частоты преобразования, однако это неизбежно приводит к росту динамических потерь в ключевом транзисторе и бустерном диоде, а также требует увеличения размеров теплоотвода.

Рассмотрим потери в двух основных схемах мощных ККМ — классической (рис. 5) и с мягким переключением транзистора и бустерного диода (рис. 6).

Среднеквадратичное значение тока, протекающего через ключевой транзистор в схеме рис. 5 [4]: где Vin — амплитуда сетевого напряжения, V0 — выходное напряжение, Ротах — максимальная мощность нагрузки, П — КПД преобразователя. Среднеквадратичное значение тока, протекающего через диод VD1: где f — частота преобразования, Л1 — амплитуда пульсаций тока дросселя (обычно принимают Л1 = 0,2Iin), Dmax — максимальный рабочий цикл:

Рис. 5. Бустерная схема ККМ
Рис. 5. Бустерная схема ККМ

Потери проводимости в полупроводниковых компонентах преобразователя (без учета входного выпрямителя): где UF—прямое падение напряжения на диоде.

Динамические потери при использовании в качестве VD1 Si-диода: где Irr — ток обратного восстановления диода, C22 — выходная емкость транзистора, tf tr, trr — время спада и нарастания тока через транзистор и время обратного восстановления диода соответственно. Величина Irr зависит от скорости изменения тока через диод di/dt и приводится в справочных данных производителя на конкретное изделие. Величина d /dt определяется скоростью включения транзистора:

Снизить d /dt можно путем затягивания времени нарастания tr, но это приведет к росту потерь включения.

Динамические потери в схеме рис. 5 при использовании в качестве VD1 SiC-диода составляют где Cd — емкость обратно смещенного диода.

Рассмотрим потери в схеме рис. 6. Работа данной схемы подробно рассмотрена в соответствующем отчете [5], отметим лишь одну ее особенность. В момент времени, когда транзистор VT1 открылся, а VT2 закрылся, ток через дроссель L2 достигает нулевого значения. Но поскольку диод VD3 находится в проводящем состоянии в течение времени обратного восстановления, этот ток меняет направление, и в дросселе запасается энергия

После запирания диода возникает переходной процесс с амплитудой около 2V0 отрицательной полярности. Это приводит к трехкратному перенапряжению на VD3. Для устранения выбросов применяют одну из снаберных цепей — либо последовательную VD4-Rсн, как показано на рис. 6, либо последовательно с L2 включают насыщающийся дроссель. В последнем случае в сердечнике дросселя выделяется значительная мощность, что заставляет либо отводить от него тепло, либо использовать сердечник больших размеров. Указанные потери в сна-берной цепи также необходимо учитывать.

Расчет параметров цепи «мягкого переключения» приведен в [5]. Величина индуктивности L2: где tH — время нарастания тока дросселя (обычно выбирается из соотношения

tH =3trr(VD1))-

Пиковый ток дросселя:

Время открытого состояния транзистора

VT2:

Рис. 6. ККМ с «мягким переключением»
Рис. 6. ККМ с «мягким переключением»

Статические потери определяются аналогично бустерному преобразователю:

Приведенная методика оценки потерь в бустерных преобразователях хорошо согласуется с экспериментальными данными [4], ошибка составляет около ±5%.

В таблице 3 для сравнения представлены характеристики, элементная база и величины потерь в активных компонентах трех вариантов ККМ — бустерный с HEXFRED-диодом (ККМ1), бустерный с SiC-диодом (ККМ2) и с «мягким переключением» (ККМ3).

Как следует из приведенных результатов, простая замена HEXFRED-диодов на ZERO RECOVERY позволяет снизить тепловую нагрузку в бустерном ККМ почти вдвое. Практически такой же результат получается при использовании схемы с «мягким переключением», но при этом количество элементов повышается в 3 раза, что увеличивает габариты, снижает надежность и соответственно выигрыш от повышения частоты преобразования.

Таблица 3
Таблица 3
Заключение

Помимо корректоров коэффициента мощности, SiC-диоды Шоттки находят важное применение в качестве антипараллельных диодов мощных IGBT- и MOSFET-транзисторов и модулей. Это особенно актуально для мостовых инверторов, работающих на индуктивную нагрузку, например приводов электродвигателей, где потери за счет обратного восстановления диода вносят существенный вклад в рассеиваемую мощность. Например, фирма Advanced Power Technology объявила о соглашении с Cree о поставках кристаллов SiC-диодов для корпусирования совместно с IGBT- и MOSFET-модулями.

Благодаря высокой радиационной стойкости и сохранению работоспособности кристаллов SiC-диодов до 600 °С, весьма перспективно их использование в военной и космической технике.

Литература

 

  1. A. Agarwal, R. Singh, S.-H. Ryu, J. Richmond, C. Capell, S. Schwab, B. Moore, J. Palmour. 600 V, 1-40 A, Schottky Diodes in SiC and Their Applications. Cree Inc. Durham.
  2. P. G. Neudeck. Progress Towards High Temperature, High Power SiC Devices. In Institute of Physics Conference Series. No. 141. Compound Semiconductors 1994. H. Goronkin, U. Mishra, Eds. Bristol, UK: IOP Publishing. 1995.
  3. P. G. Neudeck. SiC Technology. In The VLSI Handbook. The Electrical Engineering Handbook Series. W.-K. Chen, Ed. Boca Raton, Florida, USA: CRC Press and IEEE Press. 2000.
  4. S. Lee. Effects of input power factor correction on variable speed drive systems. Virginia Polytechnic Institute. Faculty of Electrical and Computer Engineering. February, 1999.
  5. J. Noon. UC3855A/B High Performance Power Factor Preregulator. Application Report. Texas Instruments. May 1996.
xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *