Technologia węglika krzemu

Transkrypt

1 Technologia węglika krzemu Chronologia pierwsze próby lata kryształy wyższej jakości lata radykalne ograniczenie defektów lata Zmodyfikowana metoda Lelya grafitowy tygiel umieszczony w komorze o podwójnych ścianach z kwarcu (chłodzenie wodne) tygiel obracany i przesuwany w pionie kontrola dt pompa usuwa resztki gazów Ar pod wysokim ciśnieniem kontrolowanym przez zawór zapobiega polikrystalizacji w θ < 2000 C cewki RF θ C sublimacja proszku Si-C zarodek nieco chłodniejszy kondensacja pary wokół zarodka i rekrystalizacja monokryształu domieszki N2 N, Al(CH3)3 P 21

2 Technologia węglika krzemu (cd.) Podłoża metoda Lelya Warstwa zasadnicza (wyższej jakości) epitaksjalna 4H i 6H-SiC mogą być łatwo wytwarzane przez homoepitaksję w atmosferze H2 i θ 1500 C wprowadza się gazowe SiH4 i C3H8 lub C2H4 en.wikipedia Epitaksja schodkowa materiał jest niskiej jakości przy wzroście 2D w θ < 1800 C dominuje 3C-SiC podłoże ścięte w schodki wzrost poziomy brak 3C-SiC Warstwy izolacyjne i pasywacyjne utlenianie powierzchniowe 22

3 Problemy technologiczne Domieszkowanie Politypia kryształu Mikrorurki defekty zmniejszające napięcie przebicia rurki powstające w kierunku wzrostu monokryształu o średnicach 1 3 µm 1993: >1000/cm2 2007: <5/cm2 Rozmiar monokryształów obecnie 3 in 100 mm (SiCED) 23

4 Komercyjnie dostępne diody z węglika krzemu Producenci Parametry graniczne 2001: Infineon SBD obecnie: Infineon, Cree, ST (od 2009) głównie JBS, MPS komercyjne: 1200 V, 15 A 500 VA (moc przetwarzana) laboratoria: 100 A / 5 kv (UF 4,2 V) 10 kv / 50 A (UF 4,2 V) 200 kva Cena wyraźnie wyższa niż Si PIN kompensowana oszczędnościami na elementach biernych i energii strat Si PIN SiC SBD Si PIN SiC SBD IDP18E120 IDH15S120 IDD03E60 IDD03SG V 1200 V 600 V 600 V 18 A 15 A 3A 3A TO220 TO220 TO252 TO252 0,91 $ (500) 15,76 $ (500) 0,23 $ (2500) 1,02 $ (2500) 24

5 Postęp technologiczny Infineon thinq! 3G seria optymalizowana pod kątem mocy strat przy wysokich częstotliwościach i małej mocy przetwarzanej; przykład układu PFC CCM 25

6 Charakterystyki statyczne diod JBS SiC i wpływ temperatury Stan przewodzenia spadek potencjału może nie być kryterium optymalizacji struktury Stan zaworowy T Uj Ui Pcond ( dla małych IF) T Ubr IR Prev niemniej prąd upływu rzędu 10 na nawet przy θ = 150 C i U = 200 V Straty statyczne zazwyczaj Pstat narzucają charakter zależności całkowitej mocy strat od temperatury 26

7 Wyłączanie diod JBS SiC i wpływ temperatury Mały ładunek przejściowy Straty dynamiczne mała moc strat mały prąd wsteczny T Qc, Irrm = Prr = Łagodny zanik prądu wstecznego małe przepięcia, zaburzenia 27

8 Dioda MPS w warunkach przetężenia Zwykła SBD / JBS MPS 1. generacja zwykłe; 2. generacja MPS Wyłączanie nośniki nadmiarowe szybko wyciągane przez wyspy złącz Schottky ego Friedrichs, IPEC 2010 Friedrichs, IPEMC

9 Zysk ze stosowania diod Schottky ego z węglika krzemu w rzeczywistej aplikacji (1) Przetwornica podwyższająca korektor współczynnika mocy Układ oryginalny wejście 230 V (rms), 50 Hz wyjście 400 V (dc), 500 W częstotliwość przełączania do 300 khz Bo o st Dio d e AC L in e 2 30 V 5 0 Hz Uo PF C C on trolle r L o ad fs SPP21N5-C3 CoolMOS (SJMOS) HFA15TB60 Si PIN Dioda zamienna CSD H-SiC MPS (JBS) 29

10 Zysk ze stosowania diod Schottky ego z węglika krzemu w rzeczywistej aplikacji (2) 2 A/div Warunki pracy diody IF = 2 A dif/dt = 70 A/µs fs = 125 khz Wartości parametrów wyznaczone na podstawie zarejestrowanych przebiegów 1 A/div Si PIN HFA15TB60 Q rr = 110 nc, trr = 69 ns SiC MPS CSD04060 Q = 14 nc, t c rr = 49 ns 30

11 Zysk ze stosowania diod Schottky ego z węglika krzemu w rzeczywistej aplikacji (3) 1,00 Efficiency 0,98 Oszacowana moc czynna strat związana z wyłączaniem diody 0,96 0,94 0,92 Si SiC 0, ,0 0,9 0,8 0,7 0, Switching Frequency [khz] 130 η@46w λ@46w λη@46w η@530w λ@530w λη@530w szacowane: 0,009 zmierzone: 0,012 Dalszą poprawę współczynnika mocy uzyskano by po zwiększeniu częstotliwości i zmniejszeniu elementów biernych (L, Cout) 0,5 5,50 W 0,70 W Zwiększenie sprawności przy Po = 531 W Load Power [W] Si PIN: SiC MPS: taka sama moc strat w diodzie MPS osiągana jest przy 980 khz 31

12 Zaburzenia elektromagnetyczne BY329, fs = 300 khz, RG = 10 Ω C3D06, fs = 300 khz, RG = 10 Ω C3D06, fs = 300 khz, RG = 110 Ω 32

13 Zaburzenia elektromagnetyczne (cd.) BY329, fs = 300 khz, RG = 10 Ω C3D06, fs = 2 MHz, RG = 10 Ω 33

14 Zysk z zastosowania węglika krzemu w przypadku diod PIN Przetwornica podwyższająca 100 V, 500 W (wyjście) 100 khz Diody Schottky ego wytworzone w laboratorium Brak poprawy sprawności wynika z większych strat mocy statycznych (spadek napięcia na złączu PN przy szerszej przerwie energetycznej) Zmniejszenie względem ultraszybkiej diody krzemowej: Irr(m) o 80% trr o 81% Urr(m) o 7% (34% wzgl. szybkiej) Elasser, IEEE Trans. on Ind. App., 39, 4 34

15 Praca przyrządów SiC w wysokiej temperaturze Przyrządy SiC JFET + SiC SBD przyrządy dostępne komercyjnie (JFET w konfiguracji kaskody z MOSFETem) zamiast komercyjnych obudów: TO-258, druciki Al Działanie tranzystora JFET Elementy bierne rdzeń dławika ze stopu o temperaturze Curie 500 C, uzwojenia z przewodu 450 C brak kondensatora sterownik bramki poza układem Funaki, IEEE Trans. on Power Electr., 22, 4 35

16 Praca przyrządów SiC w wysokiej temperaturze (cd.) sprawność szczytowa moc strat w tranzystorze podczas wyłączania napięcie wyjściowe szczytowa moc strat w diodzie podczas wyłączania Funaki, IEEE Trans. on Power Electr., 22, 4 36

17 Tranzystory MOSFET z węglika krzemu Od dawna liczne doniesienia o przyrządach sterowalnych i półsterowalnych otrzymywanych w laboratoriach Główne źródła problemów MOSFET, MESFET, JFET, SIT, BJT SCR i GTO Liczy się, że SiC-MOSFETy zastąpią Si-IGBT w zakresie do 1200 V, w specyficznych aplikacjach stany powierzchniowe w kanale pułapkowanie nośników i zmniejszenie ich ruchliwości, do 200 cm2/(vs) łagodna charakterystyka przejściowa silniejsze pole elektryczne mniejsza różnica energii pasma przewodnictwa SiO2/SiC niż /Si wysokie częstotliwości zmienne (do niskiego) obciążenie Aktualne parametry 1000 V 10 mω cm2 odpowiada to SJFET 600 V 37

18 Arsenek galu (GaAs) Główne zalety mniejsze Uj mniejszy Qrr, Qc Pdyn dobrze opanowana technologia SBD, PIN, MESFET 600 V, 20 A Zastosowanie wysokie częstotliwości (> 100 MHz) telekomunikacja mniejszy prąd upływu wyższe Ecrit łagodniejsze wyłączanie nieco wyższa Tmax Osiągane parametry Jednak przewagi SiC Przyrządy (komercyjne) większa ruchliwość mniejsze napięcie na warstwie unipolarnej o tych samych W i ND wyższe Ubr mniejsze napięcie na warstwie unipolarnej dla tej samej wytrzymałości napięciowej Pstat większa przewodność cieplna mniejsza R θ(j-c) mniejszy radiator, większa wytrzymałość prądowa mniejsza rozszerzalność cieplna większy dopuszczalny prąd przeciążeniowy (stosunek IFsm / IF(av)m = 4 względem 2) koszt 38

19 Porównanie SiC i GaAs Zverev, Silicon Carbide Shottky 39

20 Azotek galu (GaN) Potencjalnie najlepsze właściwości bardzo niska rezystancja przewodzenia bardzo mały ładunek przejściowy przy wyłączaniu obliczenia teoretyczne Laboratoria tranzystory MESFET, 550 V, 15 A BJT, τ = 300 ps HFET (AlGaN/GaN), 370 V, 20 A, 5 mω cm2, bardzo małe napięcia progowe (~0,1 V) przyrządy wykonane w laboratoriach 40