Annons

Switcha effektivare med kiselkarbid

Efter 10 år av framgångsrik produktion av SiC-dioder anser vi att SiC-tekniken är så mogen att vi kan presentera vår första SiC-switch, skriver Wolfgang Bergner, Fanny Björk, Daniel Kupoler och Gerald Deboy vid Infineon Technologies.
I deras artikel framgår motiveringen till att man valde att satsa på en i normalläget ledande (normally on) JFET i stället för en i normalläget avstängd JFET (normally off) eller en MOSFET.

 

Kiselkarbidens unika fysiska egenskaper ger oss möjlighet att utforma en ny klass av högspänningsswitchar, vid sidan av super-junction-komponenter i kisel och IGBT. Låga statiska och dynamiska förluster samt integration av en ”body”-diod är viktiga funktioner som kommer att visa sig revolutionerande för applikationsområden där man kan förlita sig på hård switchning med kontinuerlig ledning i ”body”-dioden samt resonant switchning. De viktigaste tekniska funktionerna och deras inverkan på utvalda tillämpningar kommer att diskuteras.

Komponenten och dess styrning
Valet av komponentens koncept är avgörande både i termer av tillförlitlighet som förväntat resultat i dess applikation. MOSFET eller JFET i kiselkarbid är komponenter med mycket snarlika egenskaper och kan både "överföra" de unipolära snabba switchprestanda som är kända från Si super-junction MOSFET, med upp till 1 200 V blockeringsspänning.


Fig 1. Schematisk struktur för en JFET.

När det gäller teknisk mognad har dock MOSFET och JFET helt andra meriter. Det huvudsakliga målet för oss är att dra nytta av den beprövade robustheten i vår processlina för tillverkning av dioder och att undvika processkoncept som ännu inte är grundligt testade i fält. I detta avseende saknar MOSFET mognad jämfört med en JFET, huvudsakligen på grund av oxidprocessen för gaten.
Även om inneboende tillförlitlighet och stabil tröskelspänning har demonstreras finns det en risk för misslyckande på grund av den relativt höga yttre defekttäthet hos  SiC-material.
Effektiva strategier för screening, som en motåtgärd för att förbättra kvaliteten, måste utvecklas och beprövas.
Om vi utesluter MOSFET kvarstår frågan om hur bästa koncept skall se ut för JFET [1].
Vertikala JFET som rapporterats [2] har fördelen av att vara ”normally-off”, dvs frånslagna i normalläge. Men detta sker till priset av ett icke-standardiserat drivsystem med negativ spänning för frånslag och BJT-liknande hög ström för tillslag. Av konstruktionsskäl är det användbara fönstret för tröskelspänning alltför smalt och blir ännu mer kritiskt på grund av en uttalad drainpåverkad barriärsänkning, så kallad DIBL-effekt (Drain Induced Barrier Lowering), vilket gör att tröskelspänningens fönster påverkas av blockeringsspänningen.


Fig 2. Styrning av en ”normally on” SiC JFET med dedicerad drivkrets. Principskissen till höger visar funktionen.

På tillverkningssidan är processfönstret, med avseende på tröskelspänningens stabilitet, extremt smalt och kräver ambitiös kontroll av kritisk litografi och mönstersteg. Ovanpå detta gör VJFET-strukturen det omöjligt att effektivt införliva en ”body”-diod i switchen. Den visar också en ökad koppling mellan styre och kollektor, vilket signifikant bidrar till den utgående kapacitansen [3].
Med beaktande av allt detta väljer vi en JFET-struktur med en horisontell kanal (fig 1). Den i grunden 1-dimensionella kanalkonstruktionen möjliggör en tät kontroll av tröskelspänningen (pinch-off) genom implantation och ger utmärkt Ron.

”Normally on”
Med avsikt har vi valt att konstruera för ”normally on”. Detta ger oss flexibilitet att ställa in ett stort switchfönster mellan tröskelspänning och genombrottsspänning (genombrott mellan gaten och det inbäddade begravda p + styret). Vi kan därför använda en enkel drivning (t ex 0 till 20 V) för säkra till- och frånslag, med tillräckliga marginaler och inga bipolära förluster.


Fig 3. Typiska utgångskarakteristik för en 35 mOhm JFET, specificerad för 1 200 V vid 25°C, vid olika gate-source-spänningar.

I de fall att ”normally off” skulle krävs kan switchen användas på vanligt sätt för en direktdriven JFET-konfiguration [4]. Här, i kaskodkoppling, kan en enkel lågspännings ”normally off” MOSFET anslutas i serie med en SiC-JFET. Vi föreslår en p-kanalkomponent eftersom denna kan vara refererens för både JFET och p-kanal mot samma potential (se fig 2). Under normal drift leder MOS-komponenten utan större bidrag till det totala Ron.
Vid start och vid fel är den normalt icke-ledande MOSFETen avstängd. Det gör att source på JFET förs upp till en positiv potential i förhållande till sin gate vilket därmed försätter JFET i ett säkert icke-ledande tillstånd. Detta koncept har demonstrerats i en kommersiellt tillgänglig solcellsinverter  och har visat sig återställa systemet till säker drift under vanliga fel såsom förlust av drivning av gaten [5].

Komponentegenskaper
Denna SiC JFET av ”normally on”-typ visar upp en MOSFET-liknande karaktäristik med mycket god gate-styrning och en mycket hög kapacitet för pulsström. Fig 3 visar resultatet.


Fig 4. Kapacitanserna Ciss, Coss och Crss som funktion av drain-source spänning VDS. (VGS = -19 V, f = 1 MHz) 35 mOhm nominella 1 200 V JFET.

Trenden att bygga mera kompakta system genom att höja switchfrekvensen gör minskningen av dynamiska förlusterna till en central fråga. På grund av de inneboende materialegenskaperna hos SiC uppvisar komponenten extremt små kapacitanser. Dessutom är en särskild fördel med vår JFET-komponent av kopplingen av gate och drain genom diffusion mot tranistorns ”body”, som är kopplat till source-potential. Som en konsekvens av det visar kapacitansmätningar (fig 4) en jämn och nästan ideala karakteristik.
Detta återspeglas också i goda egenskaper av gate-laddning. Mätningar visar Miller-platån runt 7 V, som är ungefär halvvägs mellan till- och frånläge och som lovar en snabb switchtid [6].
SiC JFET har testats både i diskreta förpackningar [5] och i en halv-bryggemodul [7], i två olika testplattformar. Fig 5 visar till- och frånslagsegenskaper för vår modul Easy 1B för 1 200 V 30 A.


Fig 5. Vågformer för switchning av en direktdriven JFET-modul. TJ = 125°C, VDC = 600 V, ID = 30 A och RG,ext = 0.

Vågformen för switchning visar aktuell kommutering mellan låga sidans JFET och höga sidans JFET ”body diodes”. När det gäller återhämtningsströmmens påverkan på vågformen, kan strömmen enbart ändras när drain-source-spänningen faller. Därför är den huvudsakliga delen av backströmmen för återhämtning av kapacitiv typ. Kommuteringen mot JFETens ”body diode” kan betraktas som ganska lika jämfört med Schottkydioden och dess låga ledningsförluster.


Fig 6. Jämförelse av omkopplingsförluster (till- och frånslag):
* En 1 200 V 50 mohms SiC JFET
* En kombination av en optimerad höghastighets IGBT med en SiC-Schottky-diod
* En konventionell 1 200 V IGBT kombinerad med en snabb Si PIN-diod vid VDS = 800 V, Tj = 75°C, Rg = 3 ohm.

Switchförlusterna ligger i nivå med vår senaste generation av höghastighets IGBT och en faktor två till nästa tio gånger bättre än Trenchstop IGBT med optimerad drivning. Fig 6 ger en jämförelse mellan de totala omkopplingsförlusterna och den nivå som diskreta komponenter ger.

Experimentella resultat
För experimentell validering av komponentkonceptet och dess prestanda valdes en 17 kW-3fas växelriktare genom att använda en topologi för en bipolär switch, klampad till en neutral punkt [5]. De högfrekventa switcharna, två per fas och ursprungligen 1200V 40A IGBT med ”trench stop”, ersattes var och en med tre parallella 100 mOhm 1200V SiC JFET i kombination med respektive 30 V p-kanalskomponenter.

Fig 7. Jämförelse av systemverkningsgraden för en 17 kW 3-fas PV inverter: I ena fallet utrustad med tre parallella 100 mOhm 1 200 V SiC JFET, i det ursprungliga fallet försedd med 40 A 1 200 V ”trench stop” IGBT, enligt [5].

Fig 7 visar effektivitetsvinsterna av invertersystemet vid optimalt arbetspunkt över flera uteffektnivåer. En signifikant skillnad mellan de båda lösningarna kan ses. En vanlig inverter i standardutförande, baserad på Si-switchar, ger en maximal verkningsgrad på 98,2 procent. För invertrar med denna nya SiC JFET kan 98,8 procent uppnås. De presenterade värdena avser systemets verkningsgrad och de är de bästa resultat som uppnåtts i kombination med godkända EMC-tester [5].

Fig 8 visar verkningsgraden som funktion av inspänningen och belastning, så kallade Photon-tester. Man kan se att SiC-invertern uppnår 98 procents verkningsgrad över ett mycket större spännings-/effektområde jämfört med den Si-baserade invertern.

slutsats
Denna ”normally on” 1 200 V SiC JFET (CoolSiCTM) visar överlägsna egenskaper i framriktningen och överlägsna switchegenskaper, i kombination med en mycket bra intern ”body-diode”.
Genom att välja en JFET som koncept, som inte har någon kritisk gate-oxid, kan topprestanda paras med den tillförlitligheten som förväntas i krävande applikationer såsom PV växelriktare.


Fig 8. Uppmätt systemverkningsgrad vid flera DC-spänningar (400 V upp till 800 V), enligt [5].

Som framgår har verkningsgraden i den valda PV-växelriktaren höjts betydligt. Detta kommer att bana väg för mycket högre arbetsfrekvens, vilket möjliggör mer kompakta och kostnadseffektiva konstruktioner.
Wolfgang Bergner, föreståndare för Infineon Technologies Österrike, Fanny Björk, senior staff engineer vid Infineon Technologies Österrike, Daniel Kupoler, senior staff engineer vid Infineon Technologies Tyskland, Gerald Deboy, senior principal power semiconductor and system engineering vid Infineon Technologies Österrike.

Referenser:
[1]    Treu et al, Proceedings IAS 2007 publicerad på CD.
[2]    Se datablad för SJEP120R100 på www.semisouth.com
[3]    Elpelt et al, Mat. Sci. Forum Vols. 645-648 (2010) pp 933-936
[4]    Björk et al, ICSCRM 2010, Abstract Booklet, pp 174
[5]    G Deboy, H Ludwig, R Mallwitz, R Rupp, ”New SiC JFET with Integrated Body Diode Boosts Performance of Photovoltaic Systems”, prooceedings PCIM, May 2011.
[6]    J Hilsenbeck, F Björk, W Bergner, ”A Mature 1 200 V SiC JFET Technology Optimized for Efficient and Reliable Switching”, proceedings PCIM, May 2011.
[7]    Daniel Domes, Christoph Messelke, Peter Kanschat, ”1st industrialized 1200V SiC JFET module for high energy efficiency applications”, proceedings PCIM, May 2011.

Comments are closed.