Дорогу карбіду кремнію! - діоди Шотткі виробництва Littelfuse

1. Потужні кремнієві діоди: переваги і недоліки
2. Переваги використання карбіду кремнію в високовольтної силовий електроніці
3. Структура і характеристики SiC-діодів Шотткі від Littelfuse
4. Огляд номенклатури SiC-діодів Шотткі від Littelfuse
5. висновок
6. література
7. Про компанію Littelfuse

Карбід кремнію (SiC) - один з найбільш перспективних напівпровідникових матеріалів. Він відрізняється від традиційного кремнію можливістю отримання більш високих значень робочої напруги, меншим рівнем статичних і динамічних втрат, більшою стійкістю до перегріву і перешкод. Приклад успішного використання цього матеріалу - вироби компанії Littelfuse.

Конструкції силових високовольтних кремнієвих діодів постійно удосконалюються. Після стандартних діодів на ринку з'явилися сімейства Fast Recovery і Ultra Fast Recovery, які відрізняються меншим часом відновлення. Головною метою їх створення було зниження втрат і збільшення значень комутованих струмів. Незважаючи на явні досягнення, у розвитку силових кремнієвих діодів останнім часом спостерігається деяка стагнація. Причиною цього є той факт, що технологічні можливості кремнію практично вичерпані. Потрібно або відмовлятися від діодів на користь синхронних додатків з керованими потужними ключами, або шукати нові матеріали, які зможуть задовольняти зростаючі вимоги ринку.

Мал. 1. Діоди Шотткі на основі карбіду кремнію (SiC), вироблені компанією Littelfuse

Одним з найбільш перспективних матеріалів для сфери високовольтних потужних додатків є карбід кремнію SiC. При його використанні вдається досягти значного прогресу у вирішенні завдань щодо зниження потужності втрат, збільшення діапазону робочих частот і напруг, підвищення стійкості до перешкод і перегрівів. Прикладом успішного використання переваг карбіду кремнію стало сімейство потужних високовольтних діодів Шотткі на його основі, вироблених компанією Littelfuse (рисунок 1). Ці діоди по заявленим характеристикам не тільки не поступаються існуючим кремнієвим аналогам, але і перевершують їх по ряду параметрів.

В даний час Littelfuse пропонує діоди Шотткі на основі карбіду кремнію з різними робочими характеристиками:

• з рейтингом напруги 650 або 1200 В;
• з номінальними струмами до 20 А;
• з зарядом відновлення від 6 нКл;
• моделі з одиночним діодом і парою діодів, об'єднаних загальним катодом;
• в корпусних виконань TO220-2L і TO247.

Ключовими галузями застосування розглянутих діодів Шотткі стануть потужні програми, що працюють в режимах як з м'якими, так і з жорсткими перемиканнями.

Потужні кремнієві діоди: переваги і недоліки

Перед тим як почати розмову про недоліки кремнію, варто відзначити, що кремнієві діоди - це надійне, перевірене десятиліттями рішення. Говорити про те, що вони абсолютно застаріли, звичайно, не можна. Більш того, вони володіють незаперечними перевагами і цілу низку переваг:

• найсучасніші діоди здатні працювати з напругою понад 1 кВ і комутувати струми в сотні ампер;
• кремнієва технологія бюджетна і добре налагоджена;
• до послуг розробників пропонується величезна номенклатура моделей від безлічі виробників;
• доступні різні корпусні виконання і так далі.

Аналізуючи вищесказане, можна стверджувати, що нові матеріали ще не скоро зможуть витіснити кремній з ринку. Разом з тим, у цього напівпровідникового матеріалу є очевидні недоліки.

З чисто фізичної точки зору кремній практично вичерпав себе. Очікувати фантастичних проривів в характеристиках кремнієвих приладів не варто. Зокрема, багато електричні властивості потужних діодів, наприклад, допустимий робочий напруги і рівень втрат провідності (малюнок 2), залежать від товщини кристала.

Мал. 2. Вплив товщини напівпровідника на характеристики діода

Щоб створити діод, здатний працювати без пробою з напругою до 1200 В, буде потрібно загальна товщина шару кремнію в 120 мкм. Збільшення вартості і габаритів - це тільки частина проблеми, так як зростання товщини неминуче призводить до збільшення потужності втрат при прямій провідності.

Знизити втрати провідності намагаються за рахунок впровадження високолегованих областей різної форми, щоб збільшити число неосновних носіїв. Але і тут виникають проблеми - при виключенні діода потрібен додатковий час на розсмоктування цих носіїв (час відновлення).

В цілому ряді програм наявність часу відновлення призводить до зростання динамічних втрат. Розглянемо випадок звичайнісінького імпульсного перетворювача, що працює на індуктивне навантаження, наприклад, мотор вентилятора (рисунок 3). Нехай в початковий момент часу транзистор знаходився у включеному стані, при цьому енергія накачувалася в індуктивне навантаження Lн. У момент вимкнення транзистора струм починає протікати через діод VD. Якщо до моменту початку наступного періоду комутації струм в індуктивності не спав до нуля, то при включенні VT1 буде спостерігатися кидок струму (наскрізний струм через транзистор і діод). Це пов'язано з тим, що за час включеного стану діод VD1 встиг накопичити великий обсяг неосновних носіїв. Ці носії і призводять до виникнення наскрізних струмів. Чим більше час відновлення - тим довший імпульс струму і тим більше втрати.

Мал. 3. Процес відновлення діода при перемиканні

Для мінімізації динамічних втрат застосовують різні хитрощі, однак повністю позбутися від струмових хвостів не вдається. На сьогоднішній день час відновлення традиційних кремнієвих діодів складає десятки-сотні наносекунд. При використанні карбіду кремнію це значення вдається знизити на порядок. Це одна з причин, по якій карбід кремнію є одним з найбільш перспективних матеріалів для створення потужних високовольтних компонентів.

Переваги використання карбіду кремнію в високовольтної силовий електроніці

Інтерес до альтернативних напівпровідникових матеріалів з'явився давно. Майже всі найбільш перспективні напівпровідники були відкриті до 90-х років минулого століття. Такі матеріали як нітрид галію і карбід кремнію вже пройшли стадію теоретичних досліджень і активно впроваджуються у виробництво.

Аналіз характеристик допомагає виявити ключові переваги напівпровідникових матеріалів, які будуть визначати їх спеціалізацію (таблиця 1). Наприклад, нітрид галію відрізняється максимальним значенням рухливості і дрейфовой швидкістю носіїв. Цей матеріал ідеально підходить для високочастотних додатків і силовий імпульсної електроніки з робочими напругами до 600 В. Карбід кремнію характеризується максимальним значенням критичної напруженості і високою дрейфовой швидкістю, що робить його найбільш привабливим матеріалом для створення високовольтних напівпровідникових компонентів.

Таблиця 1. Порівняння характеристик різних напівпровідникових матеріалів

Параметр Матеріал GaN Si siс Ширина забороненої зони, еВ 3,4 1,12 3,2 Критична напруженість, МВ / см 3,3 0,3 3,5 дрейфово швидкість насичення електронів, x107 см / с 2,5 1 2 Рухливість, см2 / В • з 990 ... 2000 1500 650 Діелектрична проникність 9,5 11,4 9,7

Для кремнієвих діодів з робочою напругою до 1200 В потрібне створення шару напівпровідника товщиною не менше 120 мкм. Це пов'язано з тим, що критична напруженість для кремнію становить «всього» 0,3 МВ / см. Для SiC критична напруженість перевершує аналогічний показник кремнію більш ніж в 10 разів і становить 3,5 МВ / см. Це означає, що для SiC-діода з робочою напругою 1200 В необхідна товщина напівпровідникового шару виявляється також в 10 разів менше.

Крім зниження габаритів, зменшення товщини призводить до двох додаткових переваг. По-перше, з'являється можливість більш ефективного відводу тепла. По-друге, зменшення довжини провідного каналу неминуче знижує опір, а значить, і рівень втрат потужності.

Мал. 4. Питомий опір різних напівпровідникових матеріалів

Говорячи про величину опору каналу, варто згадати про такий показник як питомий опір. За цим параметром карбід кремнію перевершує звичайний кремній і лише трохи поступається нітриду галію (рисунок 4). В результаті GaN і SiC мають на порядок більшу питому потужність, що призводить до значного зменшення габаритів в порівнянні з традиційними кремнієвими елементами.

У підсумку виходить, що в порівнянні з кремнієм карбід кремнію має більш високу робочу напругу, менше значення питомої опору, велику питому потужність і кращі можливості відводу тепла. В результаті саме карбід кремнію виявляється найбільш перспективним високовольтним матеріалом для потужних напівпровідникових компонентів. Яскравим прикладом цього стало нове сімейство діодів Шотткі на основі SiC виробництва компанії Littelfuse.

Структура і характеристики SiC-діодів Шотткі від Littelfuse

Діоди Шотткі не містять традиційного pn-переходу. Замість цього використовується перехід «метал-напівпровідник». Структура діодів Шотткі на основі SiC виробництва компанії Littelfuse складається з трьох шарів (рисунок 5): високолегованого підстави n +, низьколегованого дрейфового шару n-, металу анода. Бар'єр Шотткі утворюється між металом анода і дрейфовим шаром.

Мал. 5. Структура діодів Шотткі від Littelfuse на основі карбіду кремнію

Крім основних n-легованих шарів в структурі формуються леговані кишені p +. Вони виконують подвійну функцію. З одного боку, при додатку до діода зворотного зсуву області p + створюють додаткову зону збідніння, що призводить до зменшення значень зворотних струмів. З іншого боку, при додатку прямого зміщення області p + можуть забезпечити захист від перешкод зі значними імпульсними струмами. В останньому випадку вони виступають в якості джерел додаткових носіїв зарядів.

Мал. 6. Порівняння характеристик різних типів діодів

В результаті досліджень, проведених компанією Littelfuse, виявилося, що нове сімейство діодів Шотткі на основі SiC перевершує кремнієві діоди з цілого ряду ключових показників (рисунок 6). При максимальному робочому напрузі до 1200 В вони відрізняються мінімальним падінням напруги, максимальної допустимої температурою переходу до 175 ° С, рекордними значеннями часу відновлення і заряду відновлення.

Малі значення часу зворотного відновлення і заряду відновлення дозволяють мінімізувати динамічні втрати на перемикання (малюнок 7). При використанні імпульсних схем (малюнок 3) вдається практично повністю позбутися від струмових імпульсів зворотної полярності.

Мал. 7. Порівняння діаграм відновлення різних типів діодів

Використання діодів Шотткі на основі SiC виробництва Littelfuse дає цілий ряд переваг:

• скорочення рівня втрат провідності;
• скорочення рівня динамічних втрат;
• збільшення діапазонів частот комутації з подальшим зменшенням габаритів трансформаторів, індуктивностей і конденсаторів вихідних фільтрів;
• зростання комутованої потужності без збільшення габаритів радіаторів;
• скорочення імпульсних навантажень на силові транзистори, які при використанні кремнієвих діодів працювали в режимі перевантаження при протіканні наскрізних струмів при включенні;
• скорочення загального перегріву системи.

Огляд номенклатури SiC-діодів Шотткі від Littelfuse

В даний час сімейство SiC-діодів Шотткі виробництва Littelfuse налічує 11 представників: шість моделей з робочою напругою до 650 В і п'ять моделей з рейтингом 1200 В (таблиця 2).

Таблиця 2. Характеристики SiC-діодів Littelfuse

Найменування Рейтинг напруги, В Iном, А Uпрям, В Iобр, мкА Iімп, А Q з, нКл Корпус Tj макс, ° С Схема LFUSCD04065A 650 4 1,5 170 32 6 TO220-2L 175 Одиночний LFUSCD06065A 650 6 1,5 200 48 9 TO220-2L 175 Одиночний LFUSCD08065A 650 8 1,5 230 64 13 TO220-2L 175 Одиночний LFUSCD10065A 650 10 1,5 250 75 16 TO220-2L 175 Одиночний LFUSCD16065B 650 16 1,5 460 96 26 TO247 175 Одиночний LFUSCD20065B 650 20 1,5 500 90 32 TO247 175 Одиночний LFUSCD05120A 1200 5 1,5 190 40 14 TO220-2L 175 Одиночний LFUSCD10120A 1200 10 1,5 250 80 35 TO220-2L 175 Одиночний LFUSCD15120A 1200 15 1,5 300 120 60 TO220-2L 175 Одиночний LFUSCD20120B 1200 2 x 10 1,5 500 160 70 TO247 175 Загальний катод LFUSCD30120B 1200 2 x 15 1,5 600 240 120 TO247 175 Загальний катод

Діоди з рейтингом 650 В мають такі характеристики:

• постійна струмовий навантаження: 4 ... 20 А;
• імпульсна струмовий навантаження: 32 ... 90 А;
• пряме падіння напруги: 1,5 В;
• заряд відновлення: 6 ... 32 нКл;
• зворотний струм: 170 ... 500 мкА;
• два типи корпусних виконань: TO220-2L і TO247.

Особливо потрібно відзначити моделі LFUSCD04065A з мінімальним зарядом відновлення 6 нКл і найбільш потужний діод LFUSCD20065B з струмовим навантаженням до 20 А і зарядом на відновлення всього 32 нКл.

Діоди з рейтингом 1200 В мають такі характеристики:

• постійна струмовий навантаження: 5 ... 15 А;
• імпульсна струмовий навантаження: 40 ... 240 А;
• пряме падіння напруги: 1,5 В;
• заряд відновлення: 14 ... 120 нКл;
• зворотний струм: 190 ... 600 мкА;
• два типи корпусних виконань: TO220-2L і TO247.

моделі LFUSCD20120B і LFUSCD30120B відрізняються наявністю двох діодів із загальним катодом в одному корпусі. Ці ж моделі характеризуються максимальним струмовим навантаженням.

Мал. 8. Розшифровка найменувань SiC-діодів Littelfuse

При замовленні SiC-діодів Littelfuse необхідно використовувати найменування, яке включає п'ять полів (малюнок 8): зашифроване назва компанії і сімейство, рейтинг струму, рейтинг напруги і тип корпусу.

Розглядається сімейство діодів випускається в двох варіантах корпусних виконань: TO220-2L і TO247. Вони обидва ідеально підходять для потужних додатків з радіаторами і монтажем на друковану плату.

Аналіз заявлених характеристик говорить про те, що SiC-діоди Шотткі виробництва компанії Littelfuse напевно будуть затребувані в цілому ряді програм силової і перетворювальної техніки, наприклад, в коректорах коефіцієнта потужності, в DC / DC-перетворювачів блоків живлення, в інверторах зварювальних апаратів, в системах харчування і драйвери електромоторів, в блоках безперебійного живлення і багатьох інших.

висновок

У порівнянні з традиційним кремнієм, карбід кремнію має більш високу робочу напругу, менше значення питомої опору, велику питому потужність і кращі можливості відводу тепла. В результаті саме карбід кремнію виявляється найбільш перспективним матеріалом для потужних напівпровідникових компонентів.

Діоди Шотткі на основі SiC відрізняються високою робочою напругою, мінімальним падінням напруги при прямому зміщенні, максимальної допустимої температурою переходу до 175 ° С, рекордно низькими значеннями часу відновлення і заряду відновлення.

SiC-діоди Шотткі Littelfuse мають рейтинги напруги 650 В і 1200 В, постійний струм до 20 А, заряд відновлення від 6 нКл. Випускаються вони в корпусних виконань TO220-2L і TO247. Це дозволяє використовувати їх в цілому ряді програм силової електроніки - від блоків безперебійного живлення до драйверів електродвигунів.

література

1. The New Name in Power Semiconductors. LFUSCD Series SiC Schottky Diodes. 2016, Littelfuse .

Про компанію Littelfuse

Компанія Littelfuse є провідним світовим виробником компонентів і пристроїв для захисту електричних та електронних кіл будь-якого роду. Поставляються компанією компоненти і системи, у багатьох випадках є життєво важливими для пристроїв в практично всіх галузях і видах продукції: від побутової електроніки і автомобілів до електроенергетики. Littelfuse пропонує найбільш широкий і повний спектр компонентів та систем захисту ланцюгів на ринку електронних компонентів. Компанія розширює і н ... читати далі