BADANIA WŁAŚCIWOŚCI PRZYRZĄDÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH Z WĘGLIKA KRZEMU (SiC) W WARUNKACH KOMUTACJI PRĄDU Z WYSOKĄ CZĘSTOTLIWOŚCIĄ

Transkrypt

1 Andrzej MICHALSKI Krzysztof ZYMMER BADANIA WŁAŚCIWOŚCI PRZYRZĄDÓW ENERGOELEKTRONICZNYCH Z WĘGLIKA KRZEMU (SiC) W WARUNKACH KOMUTACJI PRĄDU Z WYSOKĄ CZĘSTOTLIWOŚCIĄ STRESZCZENIE W artykule omówiono właściwości materiałów półprzewodnikowych nowej generacji ze szczególnym uwzględnieniem węglika krzemu. Przedstawiono wyniki pomiarów przejściowego prądu wstecznego i dynamicznego napięcia przewodzenia przy stromości zmian prądu w przyrządzie wynoszącej 500 A/μs. Porównano te dane z odpowiednimi parametrami określonymi dla ultraszybkich diod krzemowych. Przedstawiono wyniki badań strat mocy w diodach z węglika krzemu przy komutacji prądu z częstotliwością (10 200) khz, porównując je z odpowiednimi danymi określonymi dla szybkich diod krzemowych. Przedstawiono także wyniki badań strat mocy w tranzystorze przełączającym z wysoką częstotliwością i współpracującym w procesie komutacji prądu z diodą z węglika krzemu i odpowiednio z diodą krzemową. Słowa kluczowe: węglik krzemu, półprzewodnikowe przyrządy mocy, dioda Schottky mgr inż. Andrzej MICHALSKI a.michalski@iel.waw.pl doc. dr hab. inż. Krzysztof ZYMMER k.zymmer@iel.waw.pl Instytut Elektrotechniki w Warszawie Zakład Przekształtników Mocy PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009

2 6 A. Michalski, K. Zymmer 1. WPROWADZENIE Prowadzone w latach 90-tych ubiegłego wieku prace badawcze nad nowymi materiałami półprzewodnikowymi doprowadziły w efekcie do wprowadzenia do produkcji przyrządów półprzewodnikowych o właściwościach istotnie korzystniejszych od odpowiednich przyrządów bazujących na krzemie. Dotyczy to zwłaszcza parametrów dynamicznych szczególnie istotnych podczas pracy układów przekształtnikowych z wysoką częstotliwością, a także temperatury pracy. Jednym z materiałów stosowanych obecnie w technice półprzewodnikowej jest węglik krzemu (SiC). Przyrządy energoelektroniczne (diody Schottky) wytwarzane na bazie tego materiału charakteryzują się obecnie parametrami granicznymi napięcia i prądu rzędu 1200 V i kilkudziesięciu amperów. Można już na bazie tych przyrządów projektować przekształtniki, o mocy kilku, a przy łączeniu równoległym elementów kilkunastu kilowatów, pracujące z częstotliwością wyższą, niż umożliwiają to odpowiednie przyrządy bazujące na krzemie. Ponieważ przyrządy te są elementami stosunkowo nowymi, ważne jest poznanie ich właściwości, prowadzone zwłaszcza przez badania eksperymentalne w przekształtnikach o różnych topologiach. Uzyskane wyniki będą stanowiły istotny materiał pomocny przy opracowywaniu konkretnych urządzeń o różnym przeznaczeniu. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań diod unipolarnych SiC prowadzone w układzie testującym o częstotliwości zmienianej w granicach (10 200) khz. Zaprezentowano także dane porównawcze dotyczące właściwości diod SiC oraz ultraszybkich bipolarnych diod krzemowych. 2. NOWE MATERIAŁY PÓŁPRZEWODNIKOWE Do poszukiwań nowych materiałów, z których można wykonać przyrządy półprzewodnikowe, skłania narastające zapotrzebowanie na przyrządy działające w temperaturach zdecydowanie wyższych, niż pozwalają na to możliwości krzemu (Si). Właściwości przyrządów krzemowych ulegają degradacji przy wyższych temperaturach, które mogą występować w zastosowaniach motoryzacyjnych, w przemyśle chemicznym czy też w technice kosmicznej. W tych przypadkach za najbardziej obiecujący nowy materiał półprzewodnikowy uważa się węglik krzemu (SiC). Istotny dla oceny materiału półprzewodnikowego parametr, energia pasma zabronionego, wynosi dla węglika krzemu 3,0 ev wobec 0,5 ev dla krzemu. Ponadto węglik krzemu charakteryzuje się większą

3 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 7 przewodnością cieplną niż krzem, wyższą temperaturą pracy do 650 C i dopuszcza stosowanie gęstości prądu do ok. 400 A/cm 2. Jest to materiał bardzo wytrzymały mechanicznie, a napięcia znamionowe wykonanych z niego przyrządów półprzewodnikowych mogą osiągać wartości do około 20 kv. Innym materiałem przyszłościowym dla następnych generacji przyrządów energoelektronicznych jest arsenek galu (GaA), który wykazuje wyższą ruchliwość nośników prądu i większą szerokość pasma zabronionego niż krzem. Ocenia się, że perspektywicznym materiałem półprzewodnikowym jest syntetyczny diament charakteryzujący się dużą wartością pasma zabronionego (ok. 5 ev), doskonałą przewodnością cieplną, wysoką temperaturą pracy oraz większą łatwością otrzymywania monokryształów o dużych powierzchniach, niż w przypadku materiałów o charakterze związków chemicznych, jakimi są arsenek galu czy węglik krzemu. Podstawowe właściwości różnych materiałów półprzewodnikowych zestawiono w tabeli 1. TABELA 1 Podstawowe właściwości wybranych materiałów półprzewodnikowych do produkcji przyrządów mocy Szerokość pasma zabronionego [E q ] Dopuszczalna temperatura pracy [T jmax ] Czas życia nośników mniejszościowych przy napięciu 1 kv w obszarze unoszenia [τ p ] Graniczna częstotliwość pracy [f] Dopuszczalna gęstość ciągłego prądu przewodzenia [j] Krzem (Si) Arsenek galu (GaAs) Węglik krzemu (SiC) Diament Jednostka 1,1 1,4 3,0 5,0 EV do 200 do 400 do 650 ponad 800 C ns 0, MHz A/cm 2 Przewodność cieplna [λ] 1,5 0, [W/cm K] 3. WŁAŚCIWOŚCI WĘGLIKA KRZEMU Węglik krzemu (SiC) należy do grupy materiałów o dużej twardości i jest również stosowany jako pokrycie koronek wiertniczych, ostrzy pił oraz jako

4 8 A. Michalski, K. Zymmer materiał ścierny. Charakteryzuje się dużą odpornością na wysoką temperaturę, promieniowanie radioaktywne i jednocześnie jest dobrym przewodnikiem ciepła. Kryształ z węglika krzemu składa się z równej liczby atomów krzemu i węgla w sześciokątnej sieci krystalicznej. Ze względu na połączenia czworościenne, alternatywne atomy Si i C płaszczyzn sieci krystalicznej są wzajemnie przesunięte, zaś kolejność ich rozmieszczenia daje różnorodność polikryształów. Do najbardziej popularnych należą kryształy o strukturach oznaczanych jako 3C, 4H oraz 6H, które wykazują tę samą stałą siatki krystalicznej w płaszczyźnie podstawowej, ale różniące się właściwościami elektrycznymi. Energia pasma zabronionego trzech wymienionych polikryształów wynosi odpowiednio 2,35 ev, 3,25 ev oraz 3,00 ev. Prędkość unoszenia elektronów w stanie nasycenia jest dwukrotnie wyższa niż w krzemie, a natężenie pola elektrycznego powodującego przebicie jest około sześciokrotnie większe niż w przypadku krzemu (Si). Te właściwości powodują, że na bazie z węglika krzemu można uzyskać bardzo szybkie diody unipolarne na napięcie U RRM = 1200 V, podczas gdy napięcie wsteczne odpowiednich przyrządów (szybkich) wykonanych na bazie krzemu nie przekracza 200 V. Węglik krzemu wykazuje doskonałą stabilność cieplną i chemiczną, nie absorbuje domieszek w żadnej temperaturze roboczej i jest nieczuły na kwaśne czynniki trawiące. Właściwości te powodują, że przyrządy wykonane z tego materiału wykazują dobrą niezawodność w wyższych temperaturach i w środowiskach agresywnych chemicznie. Z trzech wymienionych rodzajów kryształów węglika krzemu wyróżnić należy 4H SiC ze względu na najwyższą ruchliwość elektronów. Na tym materiale bazują prawie wszystkie produkowane przyrządy energoelektroniczne SiC. Jednak w warunkach produkcyjnych występują trudności w uzyskiwaniu kryształów węglika krzemu o jednorodnych właściwościach na pożądanych większych powierzchniach, niezbędnych dla otrzymania przyrządów na większe obciążalności prądowe. Obecny poziom technologii pozyskiwania węglika krzemu pozwala na wykonywanie przyrządów o powierzchni do około 10 mm 2, co odpowiada obciążalności prądowej około 20 A. Diody Schottky wykonane z węglika krzemu charakteryzują się dodatnim współczynnikiem temperaturowym spadku napięcia w kierunku przewodzenia, co ułatwia pracę równoległą takich diod i tym samym łagodzi niedogodność wynikającą z ograniczeń technologicznych wykonywania pojedynczych diod o dużej obciążalności prądowej. Istnieją już przykłady stosowania w układach eksperymentalnych przyrządów z węglika krzemu o bardzo wysokich parametrach napięcia wstecznego i prądu przewodzenia. Japońska firma Kansai Electric Co zastosowała diody SiC na napięcie 3 kv i prąd 600 A jako diody zwrotne (przeciwrównoległe)

5 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 9 tranzystorów IGBT. Takie rozwiązanie zastosowano w przekształtniku o mocy 110 kva, pracującym z częstotliwością 2 khz, przeznaczonym do poprawy parametrów sieci elektroenergetycznej. Jednak rozwiązania tego rodzaju dotyczą układów eksperymentalnych wyposażonych w przyrządy półprzewodnikowe wykonane w laboratoriach. Graniczne parametry oferowanych obecnie na rynku diod Schottky z węglika krzemu w obudowie TO220 wynoszą 20 A, 1200 V (w wykonaniu chip 40 A) a tranzystorów MESFET 10 A i 48 V. Produkcja rynkowa musi być bowiem efektywna ekonomicznie, co warunkowane jest ustabilizowaną powtarzalną technologią, gwarantującą odpowiednie procentowe uzyski przyrządów o założonych parametrach w stosunku do całej populacji wytwarzanych elementów. 4. MINIATURYZACJA URZĄDZEŃ PRZEKSZTAŁTNIKOWYCH PRZEZ STOSOWANIE TECHNIKI WYSOKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI W różnego rodzaju urządzeniach energoelektronicznych przeznaczonych do przekształcania energii elektrycznej, takich jak zasilacze AC/DC lub DC/DC z izolacją transformatorową, uzyskuje się istotne korzyści przez stosowanie w tych układach wysokiej częstotliwości, np. 100 khz i wyższej. Pozwala to wielokrotnie zmniejszyć gabaryty i cenę podzespołów biernych układu, takich jak transformatory separujące oraz dławiki i kondensatory filtrów. Wprowadzenie do układów energoelektronicznych przekształcania energii z wysoką częstotliwością wiąże się ze spełnieniem kilku wymagań w odniesieniu zarówno do przyrządów półprzewodnikowych, jak i podzespołów biernych. Straty mocy w rdzeniach transformatorów, a także dławików, składają się z tzw. strat histerezowych i strat spowodowanych prądami wirowymi, przy czym histerezowe straty mocy wzrastają liniowo z częstotliwością, natomiast straty od prądów wirowych z kwadratem częstotliwości. Tak więc realizacja omawianych układów energoelektronicznych przy wykorzystaniu tradycyjnych materiałów magnetycznych jest praktycznie niemożliwa. Dopiero wprowadzenie materiałów magnetycznych nowej generacji, takich jak rdzenie amorficzne i nanokrystaliczne o istotnie zmniejszonej stratności umożliwia, racjonalne z punktu widzenia z techniczno-ekonomicznego, przekształcanie energii z wysoką częstotliwością, a więc miniaturyzację służących do tego celu układów energoelektronicznych.

6 10 A. Michalski, K. Zymmer Podzespoły magnetyczne w warunkach zwiększonej częstotliwości wymagają stosowania specjalnego przewodu nawojowego, tzw. licy. Przewód ten pozwala ograniczyć wpływ charakterystycznego dla wysokich częstotliwości zjawiska naskórkowości, które powoduje w tych warunkach wzrost rezystancji przewodów i w efekcie wzrost strat mocy w uzwojeniach. Innym podzespołem biernym, mającym istotny wpływ na gabaryty układów energoelektronicznych, są kondensatory w obwodach filtrów. Wymagane pojemności tych elementów maleją w przybliżeniu proporcjonalnie ze wzrostem częstotliwości pracy układu przekształtnikowego. Kolejnym warunkiem stosowania w praktyce omawianych wyżej układów energoelektronicznych wysokiej częstotliwości było wprowadzenie na rynek szybko przełączających sterowanych przyrządów półprzewodnikowych, takich jak tranzystory IGBT, MOSFET, CoolMos, a zwłaszcza super junction IGBT, a także diod szybkich, stosowanych zarówno jako elementy wykonawcze w prostownikach, jak i jako diody łączone przeciwrównoległe do tranzystorów. Ostatnio szczególne nadzieje wiąże się z przyrządami unipolarnymi wykonanymi na bazie węglika krzemu SiC. Uzyskane parametry napięciowo-prądowe (20 A, 1200 V) umożliwiają budowę prostowników wyjściowych o mocy kilku, a przy łączeniu równoległym tych przyrządów kilkudziesięciu kilowatów. Należy podkreślić, że unipolarne diody SiC wykazują dodatni przyrost napięcia przewodzenia ze wzrostem temperatury struktury złącza, co zapewnia równomierny rozkład prądu w przyrządach łączonych równolegle. Umożliwia to budowę prostowników wyjściowych w układach przekształcających energię elektryczną z częstotliwością rzędu 100 khz i przy napięciu kilkuset woltów. 5. STRATY MOCY W DIODACH W diodach pracujących w układach przekształtnikowych z komutacją prądu występują straty mocy wynikające z charakterystyki statycznej w kierunku przewodzenia oraz straty mocy związane z komutacją prądu, kiedy dioda przechodzi ze stanu przewodzenia do stanu zaworowego i odwrotnie, ze stanu zaworowego w stan przewodzenia. Straty mocy związane z komutacją prądu w sposób oczywisty zależą od częstotliwości przełączania. Jeżeli energia wydzielana w przyrządzie przy załączaniu i wyłączaniu wynosi E on + E off, to strata mocy generowana w tym elemencie przy częstotliwości łączeń f wyniesie (E on + E off )*f. Doprowadzenie do zacisków diody napięcia wstecznego, kiedy dioda jest w stanie przewodzenia prądu i F, wywołuje proces przejściowy, w którym prąd

7 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 11 przewodzenia zanika ze stromością uwarunkowaną parametrami RL obwodu komutacji, a następnie wywołuje narastanie w przeciwnym kierunku dynamicznego prądu wstecznego, jak ilustruje rysunek 1. IF t1 0 IR UR I F prąd w kierunku przewodzenia; I R dynamiczny prąd wsteczny; U R napięcie na zaciskach diody Rys. 1. Napięcie i prąd diody w procesie komutacji prądu Wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego zależy od wartości prądu przewodzenia przed komutacją, od stromości opadania prądu przewodzenia oraz od temperatury złącza diody, a przede wszystkim od właściwości samego przyrządu. Stromość opadania dynamicznego prądu wstecznego jest uwarunkowana właściwościami samego złącza półprzewodnikowego diody oraz parametrami RL obwodu komutacji. W praktycznych aplikacjach przekształtników, z szybką komutacją prądu, wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego diod krzemowych może być porównywalna do wartości prądu przewodzenia przed komutacją. W tym procesie, w przedziale czasu t 1,występują stosunkowo duże straty mocy. W procesie przechodzenia diod w stan przewodzenia prądu z dużą stromością jego narastania, występuje zjawisko generowania dynamicznego spadku napięcia, który jest również źródłem dodatkowych strat mocy, co należy również brać pod uwagę przy projektowaniu przekształtników do pracy z wysoką częstotliwością. Przedstawione zagadnienia strat mocy w diodach dotyczą również przyrządów półprzewodnikowych, w których diody są zintegrowane w jednej obudowie modułowej lub w typowej pojedynczej obudowie np. TO247, połączone przeciwrównolegle z tranzystorem IGBT lub MOSFET.

8 12 A. Michalski, K. Zymmer 6. STRATY MOCY W STEROWANYCH PRZYRZĄDACH PÓŁPRZEWODNIKOWYCH Praktycznie prawie każda topologia przekształtnika tranzystorowego zawiera diody połączone przeciwrównolegle do tranzystorów, np. w tranzystorowych blokach modułowych dla mostkowych układów falownikowych, jak również jako elementy niezależne zwierające obwody z podzespołami magnetycznymi, np. w obwodzie wyjściowym sterownika napięcia stałego. W wymienionych układach przekształtnikowych zjawiska komutacji prądu w diodach mają wpływ na procesy włączania prądu przez tranzystory i generują w tranzystorach dodatkowe straty mocy. W procesie przejmowania prądu głównego przez włączany tranzystor dioda przechodzi ze stanu przewodzenia w stan zaworowy, a jej dynamiczny prąd wsteczny płynie przez ten tranzystor. Przebiegi napięcia i prądu tranzystora ilustruje rysunek 2. Obszar oznaczony na rysunku jako P1 reprezentuje straty mocy w tranzystorze, generowane przez dynamiczny prąd wsteczny diody współpracującej z tranzystorem w procesie komutacji. Obszar P2 określa straty mocy w tranzystorze pochodzące od prądu obciążenia obwodu głównego. I R Uce 0 P1 P2 Iobc U CE napięcie kolektor emiter; I obc prąd obciążenia w stanie ustalonym; I R wartość szczytowa prądu wstecznego diody Rys. 2. Napięcie i prąd tranzystora w procesie włączania W analogicznych warunkach pracują tranzystory w układach falownikowych mostkowych, w których w każdej gałęzi mostka do tranzystora jest dołączona dioda (przeciwrównolegle). Każdy tranzystor w procesie włączania przejmuje prąd obciążenia i dynamiczny prąd wsteczny diody włączonej w sąsiednim ramieniu mostka.

9 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) BADANIA EKSPERYMENTALNE 7.1. Właściwości diod w warunkach wysokiej częstotliwości Wyniki przeprowadzonych badań dają możliwość porównania właściwości technicznych i walorów użytkowych diod Schottky z węglika krzemu (SiC) i diod krzemowych (Si), reklamowanych przez producenta jako ultraszybkie do pracy w układach przekształtnikowych wysokiej częstotliwości. Porównanie jest szczególnie istotne w aspekcie strat mocy w procesie komutacji prądu. Należy podkreślić, że krzemowe diody unipolarne mogące pracować w układach przekształtnikowych wysokiej częstotliwości osiągają napięcia U RRM nieprzekraczające 200 V i mogą być stosowane w układach o napięciu roboczym nie większym niż 100 V. Odpowiednie diody wykonane na bazie z węglika krzemu osiągają napięcia U RRM dochodzące do 1200 V. Dlatego też uznano za celowe przeprowadzenie badań dla porównania właściwości, w warunkach wysokiej częstotliwości, unipolarnych diod z węglika krzemu na napięcie 1200 V i diod krzemowych bipolarnych na napięcie 600 V. Schemat ideowy układu probierczego ilustruje rysunek 3. W laboratoryjnym wykonaniu, długość połączeń między diodą badaną, tranzystorem przełączającym i kondensatorem spełniającym rolę źródła zasilania prądem stałym, sprowadzono do minimum dla zminimalizowania indukcyjności tych połączeń i uzyskania możliwie najwyższych stromości opadania i narastania prądu w procesie komutacji. Duża wartość indukcyjności dławika (L) w obwodzie obciążenia zapewnia ciągły przepływ prądu praktycznie bez pulsacji. Układ probierczy jest zasilany ze źródła prądu stałego napięciem 200 V. Funkcję tranzystora komutującego prąd diod badanych spełniał tranzystor IGBT typu HGTG12N60A4D firmy Fairchild o parametrach przedstawionych w tabeli 2b V R L Dioda badana Rys. 3. Schemat układu probierczego Tranzystor kluczujący - 200V

10 14 A. Michalski, K. Zymmer Badania porównawcze przeprowadzono na diodach Schottky z węglika krzemu typu IDT16S60C firmy Infineon oraz diodach krzemowych HiperFRED typu DSEP15-06A firmy IXYS, których podstawowe parametry przedstawia tabela 2a. TABELA 2 Zestawienie parametrów badanych diod i tranzystorów a) Parametry diod Parametr IDT16S60C (SiC) Typ diody DSEP15-06A (Si) Napięcie wsteczne V RRM 600 V 600 V Prąd przewodzenia I F 24 A, T C < C 15 A, T C < C Spadek napięcia w kierunku przewodzenia Maksymalna temperatura złącza V F 1,5 V, I F = 16 A, T j = 25 o C 1,7 V, I F = 16 A, T j = 150 o C 2,04, I F = 15 A, T j = 25 o C 1,35V, I F = 15 A, T j =1 50 o C T j, T stg C C Typ obudowy TO220 TO220 Rezystancja cieplna R thjc 1,1 K/W 1,6 K/W Całkowity ładunek pojemnościowy Q c 38 nc Czas wyłączania t c <10 ns, 400 V, I = max, 200 A/µs, C 35 ns, 30 V, 1 A, 100 A/µs, 25 0 C b) Parametry tranzystorów Parametr HGTG12N60A4D IGBT Typ tranzystora IXKR40N60C CoolMOS Napięcie V CE = 600 V D DSS = 600 V Prąd 120 A, T C = 25 0 C 60 A, T C = C 38 A, T C = 25 0 C 25 A, T C = 90 0 C Maksymalna temperatura złącza Tj = C Tj = C Rezystancja cieplna R thjc = 0,33 K/W R thjc = 0,45 K/W T d(on) 22 ns, (400 V, 60 A) 20 ns, (380 V, 50 A) T r 42 ns, (400 V, 60 A) 30 ns, (380 V, 50 A) T d(off) 134 ns, (400 V, 60 A) 110 ns, (380 V, 50 A) T f 31 ns, (400 V, 60 A) 10 ns, (380 V, 50 A) Obudowa TO-247 ISOPLUS 247 Czas wyłączania diody T rr = 47 ns, 30 A, 200 A/µs, 25 0 C

11 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 15 Wykorzystano pośrednią metodę wyznaczania całkowitych strat mocy w przyrządzie półprzewodnikowym, tak zwaną metodę bocznika cieplnego. Metoda polega na wyznaczeniu rezystancji cieplnej radiatora R thc-a przy obciążeniu przyrządu półprzewodnikowego prądem stałym, co zapewnia możliwość dokładnego pomiaru strat mocy wydzielonych w przyrządzie P tot. W warunkach ustalonych termicznie mierzy się równocześnie temperaturę określonego punktu radiatora T c oraz temperaturę otoczenia T a. Stąd z zależności R thc a Tc T = P tot a wyznacza się rezystancję cieplną radiatora. Znając wartość R thc-a oraz przyrost temperatury radiatora (T c T a ) można wyznaczyć straty mocy wydzielane w przyrządzie półprzewodnikowym dla dowolnych przebiegów napięcia i prądu w badanym przyrządzie. Należy podkreślić, że omówiona metoda cieplna daje najbardziej wiarygodne wyniki pomiaru strat mocy w przyrządach półprzewodnikowych obciążonych prądem o wysokiej częstotliwości i szybko zmiennych wartościach chwilowych napięcia i prądu. Jak wykazały doświadczenia bezpośrednie, pomiary strat mocy w przyrządach półprzewodnikowych oparte przykładowo na elektronicznych układach pomiarowych mnożących, obarczone są poważnymi błędami. Błędy te wynikają z odkształceń przebiegów mierzonych w stosunku do rzeczywistych, co spowodowane jest szybkimi zmianami napięcia na przyrządzie badanym w procesie komutacji, w granicach od kilku do kilkuset woltów oraz niezależnie wzajemnym oddziaływaniem torów pomiarowych prądu i napięcia poprzez pojemności i indukcyjności pasożytnicze. Pomiary strat mocy w przyrządach półprzewodnikowych prowadzono przy różnych częstotliwościach komutowania prądu przez tranzystor w obwodzie probierczym i współczynniku wypełnienia ½. Badane przyrządy były instalowane na radiatorze pomiarowym z chłodzeniem naturalnym konwekcyjnym. W obliczeniach uwzględniono zależność rezystancji cieplnej radiatora od jego temperatury na powierzchni w ustalonym punkcie. Tabela 3 ilustruje porównanie strat mocy w diodach, w warunkach obciążenia prądem w kształcie prostokątnym o wartości szczytowej 10 A i współczynniku wypełnienia ½ dla różnych częstotliwości komutacji tego prądu oraz przy obciążeniu prądem stałym o wartości 10 A. Przy obciążeniu prądem stałym straty mocy w diodzie z węglika krzemu są większe niż straty mocy w diodzie krzemowej, co wynika z różnicy ich charakterystyk prądowo-napięciowych w kierunku przewodzenia. W warunkach pracy z komutacją prądu (10 A, współczynniku wypełnienia ½), straty mocy w diodzie krzemowej rosną szybko w miarę wzrostu częstotliwości i przy

12 16 A. Michalski, K. Zymmer 100 khz są ponad dwukrotnie wyższe w stosunku do strat mocy w diodzie z węglika krzemu. Natomiast straty mocy w diodzie z węglika krzemu, w miarę wzrostu częstotliwości komutacji prądu, rosną w niewielkim stopniu. TABELA 3 Straty mocy w diodach Prąd 10A 10A szczyt. współczynnik wypełnienia ½ Warunki obciążenia Częstotliwość [khz] DC (przewodzenie ciągłe) Dioda SiC Straty mocy [W] Dioda Si 13,10 11, ,55 6, ,58 9, ,62 14, , ) 1) rezygnacja z pomiaru z powodu przekraczania dopuszczalnych temperatur złącza Przedstawione wyniki pomiarów potwierdzają walory użytkowe diod z węglika krzemu i perspektywę rozwoju tej technologii dla zastosowań w technice przekształtnikowej wysokiej częstotliwości i w aplikacjach przeznaczonych do pracy w bardzo trudnych warunkach środowiskowych. W przedstawionym układzie pomiarowym pomierzono również straty mocy w diodzie krzemowej zintegrowanej w jednej obudowie TO-247 z tranzystorem IGBT typu HGTG12N60A4D. Przy wartości szczytowej prądu przewodzenia 10 A, współczynniku wypełnienia ½ i częstotliwości komutacji prądu 100 khz, straty mocy wynoszą 13,7 W i są porównywalne ze stratami mocy diody krzemowej DSEP15-06A. Relatywnie duże straty mocy w diodach krzemowych wynikają z dużych wartości dynamicznego prądu wstecznego charakterystycznego dla tego typu diod. Przedstawiony na rysunku 4 oscylogram ilustruje przebieg prądu w diodzie krzemowej DSEP15-06A w procesie przejścia od stanu przewodzenia do stanu zaworowego, przy czym wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego jest wyższa od wartości prądu przewodzenia. Natomiast rysunek 5 przedstawia oscylogram prądu w diodzie IDT16S60C z węglika krzemu (SiC), w identycznych warunkach pomiarowych jak dla diody krzemowej. Wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego diody SiC jest pięciokrotnie mniejsza. W przedstawionych warunkach pomiarowych, w procesie komutacji, stromość opadania prądu przewodzenia wynosiła około 500 A/µs.

13 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 17 10A t Rys. 4. Prąd diody krzemowej DSEP15-06A w procesie komutacji 10A t Rys. 5. Prąd diody z węglika krzemu IDT16S60C w procesie komutacji

14 18 A. Michalski, K. Zymmer 10A t Rys. 6. Prąd diody krzemowej zintegrowanej w jednej obudowie z tranzystorem IGBT w procesie komutacji Rysunek 6 przedstawia oscylogram prądu diody zintegrowanej z tranzystorem HGTG12N60A4D, pracującej w roli diody badanej, przy komutowaniu prądu za pomocą tranzystora w technologii CoolMOS z częstotliwością 100 khz. W tym przypadku wartość szczytowa dynamicznego prądu wstecznego jest prawie czterokrotnie większa od wartości pomierzonej dla diody z węglika krzemu Dynamiczny spadek napięcia diody w kierunku przewodzenia Przy projektowaniu układów przekształtnikowych, szczególnie z komutacją prądu podwyższonej częstotliwości, często nie docenia się właściwości diod w procesie narastania prądu przewodzenia. Właściwość ta jest definiowana jako dynamiczny spadek napięcia w kierunku przewodzenia i występuje tym intensywniej, im jest większa stromość narastania prądu przewodzenia. Chwilowe wartości dynamicznego spadku napięcia przewyższają wielokrotnie wartości spadku napięcia w stanie ustalonego przewodzenia diody i wynikającego z statycznej charakterystyki U F = f(i F ). W przebiegu dynamicznego spadku napięcia, mierzonego na zaciskach zewnętrznych diody w procesie narastania prądu przewodzenia di/dt, można

15 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 19 wyróżnić składowe wywołane z jednej strony zjawiskami fizycznymi zachodzącymi w materiale złącza półprzewodnikowego i z drugiej wpływem indukcyjności połączeń wewnątrz obudowy oraz pojemności złącza. Składowa tego spadku napięcia, zależna od zjawisk fizycznych zachodzących w materiale półprzewodnikowym złącza, skutkuje zwiększeniem strat mocy w diodzie tym bardziej, im większa jest stromość narastania i częstotliwość komutacji prądu. Indukcyjność połączeń i pojemność złącza powodują, że mierzony przebieg dynamicznego spadku napięcia ma charakter oscylacyjny. Biorąc pod uwagę podawaną w materiałach firmowych pojemność wewnętrzną diody z węglika krzemu typu IDT16S60C wynoszącą 650 pf oraz przyjmując indukcyjność wewnętrzną 10 nh jako charakterystyczną dla obudowy TO220, to obliczona częstotliwość takiego obwodu rezonansowego wynosi ok. 57 MHz. Odpowiada to w dużym przybliżeniu częstotliwości oscylacji zniekształcających przebieg dynamicznego spadku napięcia przewodzenia diody rejestrowanych metodą oscyloskopową przy dużej stromości narastania prądu przewodzenia. Zniekształcenia te będą także wpływały niekorzystnie na wyniki pomiarów strat mocy w przyrządzie półprzewodnikowym prowadzonych metodą mnożenia chwilowych wartości napięcia i prądu w przyrządzie badanym. Potwierdza to powyżej stawianą tezę autorów, że najbardziej wiarygodną metodą pomiaru strat mocy generowanych w przyrządzie półprzewodnikowym, przy komutacji prądu z wysoką częstotliwością, jest metoda cieplna. W różnych topologiach układów przekształtnikowych oscylacyjny przebieg dynamicznego spadku napięcia diody dodaje się do przebiegu napięcia na tranzystorach w procesie ich wyłączania, np. w układzie impulsowej regulacji napięcia stałego, powodując konieczność doboru parametrów napięciowych tranzystora z dużą rezerwą w stosunku do napięcia roboczego charakterystycznego dla projektowanej aplikacji. Z powyższych względów jest interesujące porównanie właściwości diody krzemowej (Si) i właściwości diody z węglika krzemu (SiC). Rysunek 7 przedstawia oscylogram dynamicznego spadku napięcia diody krzemowej typu DSEP15-06A przy stromości narastania prądu przewodzenia ok. 500 A/µs i wartości prądu w stanie ustalonym 10 A. Podczas pomiaru do zacisków diody był dołączony równolegle rezystor 10 Ω dla ograniczenia amplitudy oscylacji. Wartość szczytowa tak pomierzonego przebiegu oscylacyjnego, w chwili rozpoczęcia procesu narastania prądu przewodzenia, wynosi ok. 18 V, a przedział czasu zanikania dynamicznego spadku napięcia wynosi ok. 200 ns. Linią przerywaną wykreślono uśredniony przebieg zmian spadku napięcia, który można interpretować jako składową zależną od właściwości fizycznych materiału półprzewodnikowego. Na początku procesu narastania prądu przewodzenia ta wartość może być szacowana na ok. 10 V.

16 20 A. Michalski, K. Zymmer Rys. 7. Dynamiczny spadek napięcia w kierunku przewodzenia diody (Si) krzemowej Rysunek 8 przedstawia oscylogram dynamicznego spadku napięcia diody z węglika krzemu typu IDT16S60C wykonany w analogicznych warunkach pomiarowych, jak dla diody SiC. Najwyższa wartość szczytowa przebiegu oscylacyjnego wynosi ok. 11 V, a czas zanikania dynamicznego spadku napięcia wynosi ok. 100 ns. Wartość uśredniona spadku napięcia na początku procesu narastania prądu przewodzenia (linia przerywana) może być szacowana na ok. 4 V. Jak widać, właściwości dynamiczne w kierunku przewodzenia diody z węglika krzemu, charakterystyczne dla fazy wchodzenia w stan przewodzenia, są zdecydowanie korzystniejsze w porównaniu z tymi samymi parametrami diody krzemowej. Rys. 8. Dynamiczny spadek napięcia w kierunku przewodzenia diody (SiC) z węglika krzemu

17 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) Straty mocy w tranzystorze W omawianym wcześniej układzie pomiarowym (rys. 3) wyznaczono straty mocy w tranzystorze przełączającym typu IXKR40N60C, produkowanym w technologii CoolMOS (tab. 2b), dla dwóch różnych warunków pracy: z diodą Schottky z węglika krzemu typu IDT16S60C (SiC) oraz z diodą krzemową typu DSEP15-06A (Si). W każdym przypadku wartość szczytowa prądu przewodzenia tranzystora wynosiła 10 A przy współczynniku wypełnienia ½ i częstotliwości komutacji prądu 100 khz. W warunkach pracy tranzystora z diodą krzemową straty mocy w tranzystorze wynosiły 16,2 W, natomiast w przypadku pracy z diodą SiC straty mocy wynosiły 8,3 W. Przytoczone wyniki pomiarów są dowodem, w jak dużym stopniu właściwości dynamiczne diody mają wpływ na straty mocy w tranzystorze w procesie komutacji prądu, szczególnie w warunkach wysokiej częstotliwości. Dlatego też rozwój technologii tranzystorów IGBT i MOSFET zmierza w kierunku wprowadzenia diod z węglika krzemu do zintegrowanych struktur tranzystor dioda, połączonych przeciwrównolegle w jednej obudowie. Przykładem może być firma Edvanced Power Technology Europe, która oferuje na rynku bloki modułowe z tranzystorami CoolMOS i z zintegrowanymi diodami SiC. Schemat ideowy takiego bloku modułowego przedstawia rysunek 9.. VBUS Q1 G1 SiC S1 Q2... OUT Rys. 9. Tranzystorowy blok modułowy z diodami SiC G2 S2.. SiC 0/VBUS 8. PRACA RÓWNOLEGŁA DIOD SiC Przebieg charakterystyki spadku napięcia w kierunku przewodzenia w funkcji prądu diod z węglika krzemu w różny sposób zależy od temperatury.

18 22 A. Michalski, K. Zymmer W zakresie mniejszych wartości prądu przewodzenia, współczynnik temperaturowy jest ujemny, tak jak w przypadku klasycznych diod krzemowych. Natomiast dla większych wartości prądu przewodzenia współczynnik temperaturowy jest dodatni, co ma istotne znaczenie przy równoległym łączeniu diod i z tym związanym wyrównywaniem rozpływu prądu. Przeprowadzone pomiary na kilku egzemplarzach diod SiC potwierdzają wspomniane właściwości charakterystyk w kierunku przewodzenia. Każdą diodę mocowano raz na radiatorze z chłodzeniem naturalnym konwekcyjnym, drugi raz na radiatorze z chłodzeniem wodnym i w każdym przypadku diodę obciążano prądem stałym i mierzono spadek napięcia w kierunku przewodzenia po ustaleniu się warunków termicznych diody. W ten sposób każda dioda była badana w dwóch różnych stanach termicznych złącza półprzewodnikowego, przy przewodzeniu prądu tej samej wartości. Przy chłodzeniu naturalnym, w warunkach termicznie ustalonych, temperatura na obudowie diody wynosiła 95 0 C ± 4 0 C, natomiast przy chłodzeniu wodnym temperatura na obudowie diody wynosiła 16 0 C ± 2 0 C. Wyniki pomiarów przedstawia tabela 4. TABELA 4 Spadki napięcia diod SiC w kierunku przewodzenia Prąd [A] V F [V] Chłodzenie naturalne Dioda nr 1 Dioda nr 2 Dioda nr 3 Dioda nr 4 V F [V] Chłodzenie wodne V F [V] Chłodzenie naturalne V F [V] Chłodzenie wodne V F [V] Chłodzenie naturalne V F [V] Chłodzenie wodne V F [V] Chłodzenie naturalne V F [V] Chłodzenie wodne 1 0,970 0,980 0,968 0,982 0,975 0,990 0,965 0, ,005 1,027 1,002 1,025 1,015 1,025 1,005 1, ,095 1,160 1,080 1,122 1,110 1,130 1,092 1, ,281 1,280 1,262 1,263 1,290 1,290 1,260 1,260 V F spadek napięcia w kierunku przewodzenia Charakterystyki przewodzenia badanych diod, w zakresie prądu do 10 A, charakteryzują się ujemnym współczynnikiem temperaturowym tak jak dla klasycznych diod krzemowych. Natomiast charakterystyki w zakresie powyżej 10 A wykazują wzrost napięcia przewodzenia ze wzrostem temperatury. Zapewnia to równomierny rozkład prądu w tych przyrządach łączonych równolegle. Efektywne wyrównywanie rozpływu prądu w diodach połączonych równolegle będzie występować, jeśli przy znamionowej wartości prądu obciążenia całego zestawu diod, przez jedną diodę ma płynąć prąd o wartości co najmniej 10 A, oczywiście przy stosowaniu odpowiedniego układu chłodzenia diod, gwarantującego nieprzekraczalność dopuszczalnej temperatury złącza półprzewodnikowego diody.

19 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 23 Efektywność wyrównywania prądu w diodach połączonych równolegle może być większa, jeśli każda z diod jest mocowana na osobnym radiatorze z chłodzeniem powietrznym wymuszonym. 9. WNIOSKI 1. Pomiary przejściowego prądu wstecznego wykonane przy tych samych wartościach prądu przewodzenia i stromości zaniku tego prądu przy przechodzeniu przez zero (I F = 10 A, di A /dt = 500 A/μs) dla diody z węglika krzemu oraz dla superszybkiej diody krzemowej wykazały, że wartość szczytowa tego prądu dla przyrządu SiC jest kilkakrotnie mniejsza, niż w przypadku diody Si. 2. Wartości dynamicznego napięcia przewodzenia pomierzone w warunkach stromości narastania tego prądu (500 A/μs) były dla diody z węglika krzemu ponad dwukrotnie mniejsze niż odpowiednie wartości określone dla diody krzemowej. Zależność ta dotyczy zarówno wartości szczytowej oscylacji przebiegu tego napięcia (wywołanych pojemnością i indukcyjnością własną diody), jak i uśrednionej wartości tego parametru. 3. Badane typy diod (SiC) i (Si) przy obciążeniu prądem stałym 10 A wykazały zbliżone wartości strat mocy. Straty mocy w diodzie SiC wyznaczone przy częstotliwości komutacji prądu zmienianej w granicach (10 200) khz, wykazały jedynie nieznaczny przyrost w całym zakresie częstotliwości. Natomiast odpowiednie wartości strat mocy wyznaczone w tych samych warunkach komutacji prądu i zakresie częstotliwości dla diody krzemowej wykazywały wyraźny przyrost ze wzrostem częstotliwości. Przy częstotliwości 100 khz straty mocy w tej diodzie krzemowej były ponad dwukrotnie większe niż w przyrządzie z węglika krzemu. Częstotliwość tę ocenia się jako graniczną w danych warunkach chłodzenia. Dalsze zwiększenie częstotliwości doprowadziłoby do przegrzania przyrządu. Ponieważ dioda SiC ze wzrostem częstotliwości w granicach (10 200) khz wykazuje jedynie niewielki przyrost strat mocy, można szacować, że będzie ona spełniać wymagania także przy częstotliwości komutacji prądu wyższej niż 200 khz. 4. Zastosowanie diody SiC jako diody współpracującej z tranzystorem w procesie komutacji prądu istotnie zmniejsza straty mocy w tym przyrządzie w stosunku do odpowiedniego układu z diodą krzemową. Przykładowo przy częstotliwości komutacji prądu przewodzenia tranzystora o wartości 10 A i częstotliwości wynoszącej 100 khz, straty mocy w tranzystorze przełączającym typu IXKR40N60C, produkowanym w technologii CoolMOS, przy zastosowaniu super-

20 24 A. Michalski, K. Zymmer szybkiej diody krzemowej, były w przybliżeniu dwukrotnie większe, niż odpowiednie straty generowane z diodą SiC. W podsumowaniu można stwierdzić, że w przekształtnikach o komutacji prądu z dużą częstotliwością stosowanie diod z węglika krzemu powoduje generowanie istotnie mniejszych strat mocy w samych diodach, jak i współpracujących z nimi tranzystorach, niż ma to miejsce przy stosowaniu nawet bardzo szybkich diod krzemowych. 5. W związku ze stwierdzonymi zakłóceniami mierzonych szybkozmiennych przebiegów napięcia i prądu badanego przyrządu półprzewodnikowego autorzy oceniają, że najbardziej wiarygodną metodą wyznaczania strat mocy w tych warunkach jest metoda cieplna. Metoda ta jest bowiem niewrażliwa na zniekształcenia wyników pomiarów, powstające w efekcie oddziaływania indukcyjności i pojemności własnych obwodu pomiarowego, a także odporna na oddziaływania na te wyniki pól elektromagnetycznych generowanych w obwodzie głównym. LITERATURA 1. R. Barlik, J. Rąbkowski, M. Nowak: Układy energoelektroniczne z przyrządami z węglika krzemu stan obecny i perspektywy. VI Krajowa Konferencja Elektroniki, Darłówek, J. M. Hancock: Novel SiC Diode Solves PFC Challenges. Materiały firmy Infineon Technologies. Power Electronics Technology/June 2006, 3. Stuart Hodge Jr: SiC Schottky Diodes in Power Factor Correction. Power Electronics Technology/August 2004, 4. A. Konczakowska, A. Szewczyk, J. Kraśniewski, M. Oleksy: Pomiary parametrów i charakterystyk statycznych, dynamicznych, szumowych i termicznych przyrządów z SiC. VI Krajowa Konferencja Elektroniki, Darłówek, J. Richmond: Hard-Switched Silicon IGBTs?. Cut Switching Losses In Half With Silicon Carbide Schottky Diodes. Materiały firmy CREE, 6. Ranbir Singh, J. Richmond: SiC Power Schottky Diodes in Power-Factor Correction Circuits. Materiały firmy CREE, 7. Karta katalogowa firmy APT Phase leg Series & SiC parallel diodes. Super Junction MOSFET Power Module APTC60AM35SCT. 8. Karta katalogowa firmy INFINEON PrimePACK TM 2 with fast IGBT2 and SiC diode for high switching frequency FF600R12IS4F Rękopis dostarczono dnia r. Opiniował: prof. dr hab. inż. Roman Barlik

21 Badania właściwości przyrządów energoelektronicznych z węglika krzemu (SiC) 25 INVESTIGATIONS INTO PROPERTIES OF POWER ELECTRONICS DEVICES MADE OF SILICON CARBIDE IN CONDITIONS OF COMMUTING CURRENTS WITH HIGH FREQUENCY A. MICHALSKI, K. ZYMMER ABSTRACT The paper discusses properties of semiconductor materials of the new generation with particular consideration of silicon carbide. Measurement results of the reverse recovery current and the dynamic conduction voltage at current change slopes of 500 A/μs are presented. These data are compared with the corresponding parameters determined for ultrafast silicon diodes. The results of investigations of the power losses which are generated at silicon carbide Schottky diodes at frequency (10 200) khz are presented. These power losses are composed to power losses generated in silicon diodes in the same conditions. Results of investigations into power losses in a transistor switching at high frequency and cooperating in the commutation process with a silicon carbide diode and a silicon diode respectively. Doc. dr hab. inż. Krzysztof ZYMMER ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej w 1962 r. i w tymże roku rozpoczął pracę w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie. Podczas swojej praktyki zawodowej zajmował się opracowaniem metod badań, układów pomiarowych oraz badaniami własności półprzewodnikowych przyrządów mocy w stałej współpracy z Z. E. Lamina z Piaseczna. Obszar zainteresowań autora stanowiły: wytrzymałość przeciążeniowa i zwarciowa przyrządów energoelektronicznych, zjawiska dynamiczne w stanach przejściowych oraz obciążalność prądowa tych elementów przy podwyższonych częstotliwościach, stany zwarciowe w przekształtnikach energoelektronicznych dużej mocy. Od 1991 r. kieruje Zakładem Przekształtników Mocy w Instytucie Elektrotechniki. Jest autorem i współautorem ponad 130 publikacji i referatów na krajowe i międzynarodowe konferencje oraz dwóch monografii.

22 26 A. Michalski, K. Zymmer Mgr inż. Andrzej MICHALSKI ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej w 1960 r. Od 1959 r. pracuje w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie. W pracy zawodowej specjalizował się w zakresie: metod pomiarowych parametrów przyrządów półprzewodnikowych mocy, zastosowania przyrządów półprzewodnikowych mocy w przekształtnikach dla spawalnictwa, galwanotechniki, trakcji elektrycznej, urządzeń radarowych i generatorów ozonu, zastosowania przekształtników tyrystorowych i tranzystorowych w grzejnictwie indukcyjnym średniej i wysokiej częstotliwości. Jest współautorem ponad 80 publikacji i referatów na konferencjach krajowych i międzynarodowych. Jest współautorem licznych opracowań urządzeń energoelektronicznych wdrożonych do produkcji i eksploatacji, nagrodzonych w konkursach środowiska zawodowego SEP oraz w konkursach resortowych.