כיצד לישם טרנזיסטורי SiC MOSFET‏ דור-שלישי בתכני הספק עבור ביצועים ונצילות גבוהים יותר

קיים דחף בלתי מתפשר לנצילות גבוהה יותר, גודל קטן יותר וביצועים משופרים לרוחב יישומי הספק כגון דוחפי מנוע תעשייתיים, מהפכי/ממירי AC/DC ו-DC/DC, מטעני סוללות ומערכות אחסון אנרגיה. דרישות ביצועים אגרסיביות אלו עברו את היכולות של טרנזיסטורי MOSFET סיליקון (Si‏) והובילו לארכיטקטורות טרנזיסטור חדשות יותר מבוססות על סיליקון קרביד (SiC‏).

בעוד התקנים חדשים יותר אלה הציעו יתרונות משמעותיים לרוחב מדדי ביצועים חשובים, מתכננים נהגו בחוכמה לנהוג בזהירות עם התקני SiC‏ מהדור הראשון בשל מגבלות ואי-ודאויות יישום שונות. התקני דור-שני הביאו מפרטים משופרים יחד עם הבנה טובה יותר של דקויות התקן. עם הגידול בביצועי ה-SiC MOSFET וההתגברות של לחצי זמן-יציאה-לשוק, מתכננים השתמשו בהתקנים חדשים-יותר אלה עבור עמידה ביעדי מוצרים. לאחרונה, התקנים של הדור השלישי מדגימים את הבשלות של התקני הספק מבוססי SiC. התקנים אלה מעניקים למשתמשים שיפורים לרוחב פרמטרים חשובים תוך כדי התבססות גם על נסיון התכנון והמומחיות הקשורים לדורות הקודמים.

מאמר זה משווה Si‏ ל-SiC‏, לפני הדיון על הפיתוח והמעבר לטרנזיסטורי SiC MOSFET‏ מהדור השלישי. אחר כך, המאמר מציג דוגמאות מהעולם-האמיתי מבית Toshiba Semiconductor and Storage Corp‏ (Toshiba‏) כדי להראות כיצד התקנים אלה יכולים לעזור למתכננים להשיג התקדמות משמעותית בתכנון מערכות הספק.

סיליקון לעומת SiC

לאורך העשורים האחרונים, טרנזיסטור ה-MOSFET המבוסס על סיליקון שינה את התכנון של מערכות הספק החל מאספקות בסיסיות ומהפכים עד דוחפי מנוע. יחד עם הטרנזיסטור הביפולרי שער מבודד (IGBT)—מוליך למחצה דומה פונקציונלית אך עם מבנה ומאפיינים שונים לגמרי—ה-Si MOSFET‏ הממוטב מיתוג איפשר מעבר מהמרה וניהול הספק בלתי יעיל‏ים, מסורתיים, מבוססים על טופולוגיות ליניאריות, לגישה הרבה יותר יעילה וקומפקטית המשתמשת בבקרה ממותגת.

מרבית התכנים האלה משתמשים‏ בצורה מסוימת של אפנון רוחב-פולס (PWM) כדי להעניק ולשמור על ערכי המתח, הזרם או ההספק המבוקשים בסידור משוב בחוג סגור. עם הגידול בשימוש בטרנזיסטורי סיליקון MOSFET, הדרישות מהם גדלו גם כן. נוסף לכך, יעדי נצילות חדשים (רבים מבוססים על צווים רגולטוריים), השווקים של רכב חשמלי ובקרת מנוע חכמה יותר, המרת הספק עבור אנרגיה מתחדשת ומערכות אחסון נלוות, דחפו טרנזיסטורי MOSFET‏ אלה לעשות יותר וטוב יותר.

כתוצאה מכך, מאמץ של מחקר ופיתוח משמעותי שיפר את הביצועים של טרנזיסטורי MOSFET מבוססי-סיליקון‏, אך חוקרים הבינו שמאמץ זה הגיע לנקודה של תפוקה שולית פוחתת. למרבה המזל, היתה קיימת‏ חלופה, בתאוריה, מבוססת על התקני מיתוג-הספק שהשתמשו ב-SiC‏ כמצע במקום סיליקון בלבד.

מדוע להשתמש ב-SiC‏?

מסיבות פיזיקליות טהורות ל-SiC‏ יש שלושה מאפיינים חשמליים עיקריים השונים משמעותית מסיליקון בלבד, וכ"א מביא יתרונות תפקודיים; ישנם גם יתרונות אחרים, קלים יותר (איור 1‏).

איור 1‏: השוואה מקורבת בין תכונות עיקריות של חומרים מוצקים SiC‏ לעומת Si‏ וגאליום ניטריד (GaN‏). (מקור תמונה: Researchgate‏)

שלושת המאפיינים העיקריים הם:

• מתח פריצה קריטי שדה-חשמלי גבוה יותר של בערך 2.8‏ מגה-וולט/סנטימטר (MV/cm) לעומת ‏0.3‎ MV/cm, כך שעבודה בדרגת מתח נתונה אפשרית עם שכבה דקה בהרבה, ובכך מוקטנת בהרבה התנגדות שפך-מקור במצב מופעל (R_DS(on)).
• מוליכות תרמית גבוהה יותר, מאפשרת צפיפות זרם גבוהה יותר בשטח‏ חתך-רוחב.
• פער-אנרגיה (Bandgap) רחב יותר (הפרש האנרגיה באלקטרון וולט בין פס הערכיות הגבוה ביותר ותחתית פס ההולכה במוליכים למחצה ומבודדים), גורם לזרם זליגה נמוך יותר בטמפרטורות גבוהות. מסיבה זו, לעתים קרובות מתיחסים לדיודות וטרנזיסטורי אפקט שדה (FETs)‏ SiC ‏כאל התקנים עם פער-אנרגיה (Bandgap‏) רחב (WBG).

כתוצאה מכך, התקנים מבוססי-SiC‏ יכולים לחסום מתחים גבוהים יותר עד פי עשר מאלה העשויים סיליקון בלבד, הם יכולים להתמתג מהר יותר בערך פי עשר, והם בעלי R_DS(on) בגודל מחצית או פחות ב-‏25‎°C, תוך שימוש בשטח פיסה זהה (כל המספרים מקורבים, כמובן). כמו כן, הפסד הכיבוי המיוחס למיתוג של התקני SiC‏ הוא נמוך יותר בגלל שאין זרם זנב (tail current) מזיק. במקביל, היכולת שלהם לעבוד בטמפרטורות גבוהות הרבה יותר של בערך 200°C, לעומת C‏ִ°‏125‏, מקלה על עניני תכנון וניהול תרמי.

הודות למאפייני הביצועים והחידושים שלהם, התקני SiC‏ תופסים כעת מקום בולט במטריצת היישום הספק לעומת מהירות, כשמצטרפים לטרנזיסטורי IGBT, ‏MOSFET סיליקון והתקני GaN (איור 2).

איור 2‏: מאפייני הביצועים של טרנזיסטורי SiC MOSFET‏ עושים אותם מתאימים עבור‏ מגוון רחב של יישומים הכוללים ‏תחומי דרגות הספק ותדר. (מקור התמונה: Toshiba)

המסלול ממדע חומרי ה-SiC הבסיסי ופיזיקה של התקנים עד טרנזיסטורי SiC MOSFET‏ מסחריים לא היה מהיר או קל‏ (איור 3‏). לאחר מחקר נרחב ומאמצי ייצור, התקנים ראשונים מבוססי-SiC—דיודות שוטקי (Schottky)—הוצגו ב-2001. בשני העשורים לאחר מכן, התעשייה פיתחה ושחררה נפחי ייצור של טרנזיסטורי SiC MOSFET מדור ראשון, שני ושלישי. כל דור מציע שיפורים מכוונים בפרמטרים ספציפיים, יחד עם פשרות שונות במידות מסוימות.

איור 3‏: הסיפור של התקנים מסחריים מבוססי-SiC מתחיל עם דיודת SiC Schottky מסחרית ראשונה, שהופיעה ב-2001. (מקור התמונה: IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017)

שים לב שחשוב להיות ברור אודות טרמינולוגיה: כמו גם קודמיהם העשוים מסיליקון-בלבד, טרנזיסטורי FET מבוססי-SiC‏ הם טרנזיסטורי MOSFET‏. במובן הרחב‏, המבנים הפיזיקליים הפנימיים שלהם דומים, ושניהם התקנים בעלי שלושה הדקים עם חיבורי מקור (Source), שפך (Drain) ושער (Gate). ההבדל הוא כפי ששמם מציין: טרנזיסטורי FET מבוססי-SiC‏ משתמשים ב-SiC‏ כחומר הבסיסי שלהם להבדיל מסיליקון בלבד.

נתחיל עם דור ראשון ושני

ישנם פרמטרים רבים המאפיינים את הביצועים של‏ התקן ממותג. בין הפרמטרים הסטטיים הרבים נמצאים מתח העבודה המקסימלי ודרוג הזרם המקסימלי, יחד עם שני גורמי איכות (FoMs): ה-R_DS(on) וטמפרטורת העבודה המקסימלית, שמתיחסות ליכולת הטיפול בהספק עבור גודל פיסה ומארז נתון.

כהתקנים ממותגים, פרמטרים דינמיים גם כן קריטיים מאחר והם דרושים להעריך הפסדי מיתוג. ה-FoM הדינמי המצוטט ביותר הוא המכפלה של ה-R_DS(on) ומטען השער (Gate), ‏R_DS(on) × Q_g, בעוד שחשוב יותר ויותר הוא מטען ההתאוששות-האחורנית, Q_rr. הגודל והיכולות של דוחף השער הדרושים כדי להיות מקור (Source) או קולט (Sink) זרם טוב של התקן המיתוג—ולעשות זאת ללא Overshoot‏, Ringing‏, או עיוותים אחרים—נקבעים בעיקר על ידי גורמי איכות (FoMs) אלה.

השימוש וצמיחת השוק של התקני SiC אלה מדור ראשון נעצרו בשל בעיות אמינות. אחת הבעיות כרוכה בדיודות PN, שממוקמות בין מקור כוח של ‏MOSFET הספק לשפך (Drain). מתח המיושם על דיודת ה-PN מעוררת אותה, כהתוצאה מכך משתנה ההתנגדות במצב-מופעל (ON), דבר שפוגע באמינות ההתקן.

הדור השני של Toshiba שינה את מבנה התקן ה-SiC הבסיסי‏ על ידי שימוש בדיודת מחסום שוטקי (SBD‏) משובצת ב-MOSFET‏ כדי לפתור בגדול בעיה זו (איור 4‏). זה שיפר אמינות ביותר מסדר גודל. המבנה החדש מנע ערור של דיודת ה-PN על ידי מיקום ה-SBD במקביל לדיודת ה-PN בתוך התא. זרם זורם דרך דיודת ה-SBD המשובצת כי מתח מצב-מופעל (ON) שלה הוא נמוך משל דיודת ה-PN, ובכך נמנעים שינויים מסוימים בהתנגדות מצב-מופעל (ON) ופגיעה באמינות של ה-MOSFET.

איור 4: שלא כמו SiC MOSFET אופייני ללא דיודת מחסום שוטקי (SBD)‏ פנימית (שמאל), האחד עם SBD (ימין) יכול להקטין למינימום את הערור של דיודת ה-PN הפרזיטית. (מקור התמונה: Toshiba)

טרנזיסטורי MOSFET‏ עם דיודות SBD‏ משובצות היו כבר בשימוש פרקטי, אך רק במוצרי מתח גבוה—כגון התקני 3.3 קילו-וולט (kV‏‏)—כיוון שדיודת ה-SBD המשובצת‏ גרמה להתנגדות מצב-מופעל לגדול לרמה שרק מוצרי מתח-גבוה יכולים לעמוד בה. Toshiba כיווננה פרמטרים שונים של ההתקן ומצאה שהיחס של שטח ה-SBD ב-MOSFET הוא המפתח לדיכוי ההתנגדות המוגדלת במצב-מופעל. על ידי מיטוב יחס ה-SBD‏, Toshiba‏ תכננה SiC MOSFET מסוג kV‏ 1.2‏ עם שיפור בולט באמינות.

עם זאת, כמו במקרה של שיפורים רבים, היו גם פשרות. בזמן שמבנה ההתקן החדש שיפר משמעותית אמינות, היתה לו גם השפעה מזיקה על שני גורמי איכות (FoMs). הוא הגדיל R_DS(on) נומינלי כמו גם R_DS(on) × Q_g, תוך פגיעה בביצועי ה-MOSFET‏. כדי לפצות ולהקטין את ההתנגדות במצב-מופעל, טרנזיסטורי SiC MOSFET‏ דור-שני היו בעלי שטח פיסה מוגדל, אך זה הגדיל עלות.

דור שלישי מציג בשלות אמיתית

מתוך הכרה בדאגה זו, Toshiba‏ פיתחה דור שלישי של התקני SiC MOSFET, שנקרא משפחת ה-TWXXXN65C/TWXXXN120C. התקנים אלה מטבו את המבנה של השכבה המפזרת-זרם כדי להקטין את גודל התא ולספק גם דרגת מתח גבוהה יותר, מיתוג מהיר יותר והתנגדות מצב-מופעל נמוכה יותר.

התנגדות מצב-מופעל מונמכת בחלקה על ידי הקטנת התנגדות הפיזור (R_spread). זרם ה-SBD‏ מוגדל על ידי הזרקת חנקן לתוך תחתית אזור הדיפוזיה סוג-P‏ הרחב (P-well) של ה-SiC MOSFET. חברת Toshiba‏ הקטינה גם את אזור ה-JFET‏ והזריקה חנקן כדי להקטין קיבול משוב והתנגדות JFET. כתוצאה מכך, הוקטן קיבול משוב מבלי להגדיל התנגדות מצב-מופעל. הושגה גם עבודה יציבה ללא תנודות של התנגדות מצב-מופעל על ידי מיקום ממוטב של ה-SBD‏.

כעת, המשפחה כוללת טרנזיסטורי SiC MOSFET‏ של 650 וולט‏ ו-1,200 וולט המתוכננים עבור יישומים תעשיתיים‏ הספק-גבוה כגון ספקי-הכוח AC/DC של 400 וולט ו-‏800 וולט‏‏, מהפכים פוטו-וולטאיים (PV) וממירי DC/DC‏ דו-כיווניים עבור ספקי-כוח אל-פסק (UPS‏). טרנזיסטורי SiC MOSFET‏ של 650 וולט‏ ו-1,200 וולט גם יחד מוצעים במארז בתקן תעשייה TO-247 שלושה הדקים (איור 5‏).

איור 5‏: ארוזים במארז T0-247‏ סטנדרטי, טרנזיסטורי SiC MOSFET‏ דור-שלישי של 650‎ V‏ ו-‎1,200 V מבית Toshiba מתאימים היטב למגוון רחב של יישומי המרת הספק, בקרה וניהול. (מקור תמונה: Toshiba)

בטרנזיסטורי SiC MOSFET‏ דור-שלישי אלה, ה-R_DS(on) × Q_g FoM מוקטן ב-80% בהשוואה להתקני דור-שני של Toshiba—ירידה משמעותית‏—בעוד הפסדי המיתוג מוקטנים בערך ב-%‏20‏. טכנולוגיית דיודת מחסום שוטקי המובנית מציעה גם מתח קדומני (V_F) אולטרה-נמוך.

ישנן דקויות תכנון אחרות הקשורות בטרנזיסטורי MOSFET. קח לדוגמה את ה-V_GSS. ה-V_GSS הוא המתח המקסימלי שניתן לישם בין השער (Gate) והמקור (Source) כשהשפך (Drain) והמקור (Source) מקוצרים. עבור התקני SiC דור-שלישי, תחום ה-V_GSS הוא ‏10 עד 25 וולט, עם 18 וולט הערך המומלץ. תחום ה-V_GSS הרחב עושה את התכנון לקל יותר תוך שיפור אמינות התכנון.

יתר על כן, ההתנגדות הנמוכה ומתח סף שער (V_GS(th)) גבוה יותר—המתח בו תעלת ה-MOSFET‏ מתחילה להוליך—מסייע למנוע תקלות, כגון הפעלה מקרית בגלל קפיצות מתח (spikes), שיבושים קצרים (glitches) ואותות-יתר (Overshoots‏). מתח זה, בתחום מ-3.0 עד 5.0 וולט, מסייע בהבטחת ביצועי מיתוג נצפים עם סחף מינימלי תוך אפשור תכן דוחף-שער פשוט.

מבט מקרוב יותר בטרנזיסטורי SiC MOSFET דור-שלישי 650 וולט‏ ו-1200 וולט‏‏

מבט בשני התקנים בקצוות נגדיים של ספקטרום המשפחה, התקני ה-650 וולט‏ וה-1200 וולט, מראה את ‏תחום היכולות שלהם. המארז הפיזי, מערך-הפינים והסימון הסכמתי של כולם זהה (איור 6‏), אך הפרטים המדויקים שונים.

איור 6‏: לכל חברי משפחת SiC MOSFET דור-שלישי של Toshiba יש אותו סידור פיזי וסימון סכמתי; שים לב לדיודת מחסום השוטקי האינטגרלי בסימון. (מקור תמונה: Toshiba)

התקן 650 וולט אחד‏ הוא ה-TW015N65C, התקן‏ תעלת-N‏ מדורג 100 אמפר (A‏) ו-342 ואט‏. ערכים ספציפיים אופיניים שלו הם‏ קיבול כניסה (C_ISS) של 4,850 פיקו-פאראד (pF), מטען כניסת שער (Gate)‏ נמוך (Q_g) של 128 ננו-קולון (nC) ו-R_DS(on)‏ נומינלי של 15 מילי-אוהם (mΩ‏) בלבד.

יחד עם טבלאות של ערכים מינימליים, אופיניים ומקסימליים עבור פרמטרים סטטיים ודינמיים, גיליון הנתונים כולל גרפים המציגים את הביצועים של פרמטרים קריטיים כפונקציה של גורמים כגון טמפרטורה, זרם שפך (Drain) ומתח שער (Gate) - מקור (Source)‏ (V_GS). לדוגמה, הערך של R_DS(on) כפונקציה של טמפרטורה, זרם שפך (Drain) ‏(I_D) ומתח שער (Gate) - מקור (Source)‏ V_GS מוצג באיור 7‏.

איור 7‏: מוצגים גרפים המאפינים התנגדות מצב-מופעל עבור ה-TWO15N65C מהבטים שונים, כולל זרם שפך (Drain), טמפרטורת סביבה ו-V_GS. (מקור התמונה: Toshiba)

אותו סט מפרטים וגרפים מוצגים באיור 8‏ עבור התקני ה-1200 וולט, כגון ה-TW140N120C, ‏התקן תעלת-N,‏ ‎20 A‏, 107 ואט‏. SiC MOSFET זה מתאפיין ב-C_ISS נמוך של 6000‎ pF, מטען כניסה שער (Gate)‏ (Q_g) של 158 ננו-קולון ו-R_DS(on) של ‎140 mΩ.

איור 8‏: גרפים של אפיון התנגדות מצב-מופעל עבור ה-TW140N120C. (מקור התמונה: Toshiba)

עשרת טרנזיסטורי ה-Toshiba SiC MOSFET דור-שלישי הזמינים כוללים חמישה התקני 650 וולט יחד עם חמישה התקני 1200 וולט.‏ ב-‎25°C, הם בעלי התנגדות מצב-מופעל, זרם ודרגת הספק הבאים:

650 וולט‏:

• ‎15 mΩ‏, A‏ 100‏, 342 ואט‏ (ה-TWO15N65C)
• ‎27 mΩ‏, A‏ 58‏, 156 ואט‏
• ‎48 mΩ‏, A‏ 40‏, 132 ואט‏
• ‎83 mΩ‏, A‏ 30‏, 111 ואט‏
• ‎107 mΩ‏, A‏ 20‏, 70 ואט‏

1200 וולט‏:

• ‎15 mΩ‏, A‏ 100‏, 431 ואט‏
• ‎30 mΩ‏, A‏ 60‏, 249 ואט‏
• ‎45 mΩ‏, A‏ 40‏, 182 ואט‏
• ‎60 mΩ‏, A‏ 36‏, 170 ואט‏
• ‎140 mΩ‏, A‏ 20‏, 107 ואט (ה-TW140N120C)‏

מסקנה

טרנזיסטורי MOSFET סיליקון קרביד מציעים‏ שיפור משמעותי בפרמטרים קריטיים של מיתוג, לעומת התקני סיליקון-בלבד. בהשוואה לדורות קודמים, רכיבי SiC‏ דור-שלישי מציעים מפרטים ו-FoMs משופרים, אפיון טוב יותר של דרישות דוחף-שער ותובנה טובה יותר בדקויות תכנון בלתי נמנעות. על ידי שימוש בטרנזיסטורי SiC MOSFET אלה‏, עומד לרשות מתכנני מערכות הספק משאב ליבה נוסף בו הם יכולים להשתמש כדי להשיג נצילות גבוהה יותר, גודל קטן יותר וביצועים כוללים משופרים.