Сегодня мы больше думаем о преобразовании электроэнергии и мощности с выхода генератора в конечное напряжение для множества приложений, будь то 1,5 В постоянного тока для процессора, от 24 В до 500 В переменного тока для промышленного привода двигателя или 400 В постоянного тока для зарядки аккумулятора электромобиля.
В процессе преобразования неизменно используются силовые полупроводниковые переключатели. На протяжении десятилетий преобладали такие типы кремниевых транзисторов как Si-MOSFET и IGBT.
Потери в этих устройствах являются основными причинами неэффективности системы. На сегодня снижение потерь мощности стало основным направлением на минимизацию эксплуатационных потерь и нагрузки на окружающую среду.
В последние годы стали распространены материалы, альтернативные кремнию, в виде карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), которые обладают характеристиками, позволяющими постепенно повышать эффективность преобразования энергии. Эти устройства с широко зонным материалом (WBG) не являются простой заменой Si . Прикладные схемы должны быть спроектированы таким образом, чтобы они соответствовали друг другу, особенно если необходимо извлечь все преимущества производительности. На рисунке 1 показаны основные различия между материалами.
Si , SiC и GaN – проводящие потери
Кремневые IGBT имеют минимальное напряжение насыщения коллектор-эмиттер в открытом состоянии, которое вместе с током коллектора определяет потери проводимости.
Кремневые MOSFETs имеют сопротивление в открытом состоянии, поэтому рассеиваемая мощность составляет I * R(ON)2 , что может быть недопустимо при высоких уровнях тока. Однако при низком напряжении и от низкой до средней мощности Si-MOSFET с низким сопротивлением R(ON) могут иметь более низкие потери проводимости, чем IGBT.
Устройства на основе SiC и GaN имеют гораздо более высокое критическое напряжение пробоя, чем Si , что обеспечивает более тонкий дрейфовый слой и высокую концентрацию легирования. Это напрямую ведет к снижению сопротивления в открытом состоянии для данной площади кристалла и номинального напряжения, что приводит к меньшим потерям. Кроме того, SiC имеет теплопроводность более чем в три раза лучше, чем Si , поэтому для такого же повышения температуры можно использовать кристалл меньшего размера. И SiC , и GaN в любом случае имеют гораздо более высокие максимальные рабочие температуры, чем кремний, с ограниченными нагрузками.
Si , SiC и GaN - коммутационные потери
Очень важна высокая частота переключения преобразователя, поскольку связанные компоненты могут быть меньше по габаритам, особенно магнетики, что дает экономию в размере, весе и стоимости. Однако коммутационные потери во всех устройствах напрямую зависят от частоты.
IGBT редко работают на частотах выше 20 кГц из-за потери мощности из-за «хвостового тока», необходимых демпферов, а также заряда и разряда высоких емкостей устройств.
Si-MOSFET могут переключаться на сотнях кГц, но потеря энергии, EOSS , при циркуляции тока в выходной емкости становится ограничивающим фактором при повышении частоты.
SiC и GaN имеют гораздо более высокую скорость насыщения электронами и гораздо более низкие емкости, поэтому могут переключаться на высокой скорости с низкими потерями.
Также важны характеристики устройств в «третьем квадранте» - когда проводящий канал имеет обратное смещение, как это происходит в приложениях с «жестким переключением» и когда «коммутация» происходит в инверторах (рис. 2). IGBT не проводят в обратном направлении, поэтому требуется встречно-параллельный диод, который должен быть быстро восстанавливающийся с низким падением напряжения.
Si - и SiC-MOSFETs имеют встроенные, быстрые диоды, которые могут работать в обратном направлении с низкими потерями и без эффекта обратного восстановления при включении через свои затворы. Любое, так называемое, «мертвое время», когда канал смещен в обратном направлении, но не включен через затвор, вызывает проводимость основного диода со значительной потерей мощности из-за его относительно высокого падения напряжения в прямом направлении.
Переключатели GaN сконфигурированы как HEMT транзисторы с высокой подвижностью электронов и не имеют внутреннего диода. Как и у полевых МОП-транзисторов, их каналы могут проводить обратное движение, но также существует эффект внутреннего диода через канал в течение любого мертвого времени с падением напряжения, примерно равным пороговому напряжению затвора, около 2 В. Это снова может вызвать рассеяние, если канал не включен.
