Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 22 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов International Rectifier

В статье рассматриваются высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов, изготовленные по новой технологии G5 HVIC (Generation 5 High Voltage Integrated Circuit).

Новое семейство силовых P-канальных МОП-транзисторов

В статье описано новое семейство P-канальных МОП-транзисторов, рабочие характеристики которых схожи с показателями N-канальных МОП-транзисторов, включая быстрое переключение и работу с обратной полярностью.

Эффективный режим ЧИМ для 6-МГц импульсного понижающего преобразователя TPS62620

Развитие электроники идет в направлении постоянного расширения функционала при одновременном уменьшении размеров устройств, что стимулирует инновации в достижении этих целей. Новый понижающий преобразователь TPS62620 производства компании Texas Instruments предназначен для решения этих проблем. Он работает на частоте 6 МГц в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяя использовать миниатюрные внешние компоненты также в высокоэффективном режиме частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).

 

7 декабря

Технологии силовой электроники для снижения энергопотребления

В статье рассмотрены технологии производства силовых приборов с уменьшенными потерями, что позволяет повысить энергоэффективность преобразователей на их основе. Рассмотрены кремниевые и карбид-кремниевые дискретные силовые компоненты. Приведены табличные и графические экспериментальные и расчетные данные.



С

егодня энергосбережение, наверное, самая актуальная тема во многих отраслях техники. В электронике она во многом связана с уменьшением потерь и увеличением эффективности силовых преобразователей. Например, известная организация Climate Savers Computing Initiatives (CSCI) выступает с инициативой уменьшить к 2010 г. выброс в атмосферу углекислого газа на 54 млн т за счет уменьшения энергопотребления компьютеров и серверов. Известно и много других инициатив со схожей целью.
Построение более эффективных преобразователей возможно как за счет улучшения схемотехники силовых каскадов, так и за счет использования более совершенных силовых ключей. Первый метод описан, например, в [1]. Некоторые аспекты второго мы рассмотрим в настоящей статье.
Многие эксперты сходятся во мнении, что внедрение прогрессивных технологий производства приборов силовой электроники сыграет главную роль в снижении энергопотребления. Примером таких технологий являются карбид-кремниевые (SiC) приборы, а также усовершенствованные кремниевые ключи, например, Super-Junction MOSFET с малой величиной заряда затвора и новейшее поколение кремниевых приборов deep-trench filling MOSFET со сверхмалым сопротивлением канала в открытом состоянии и отличными динамическими характеристиками. Их использование в импульсных источниках питания позволяет существенно повысить энергоэффективность последних.

Кремниевые приборы

Потери в силовых ключах можно разделить на четыре категории: потери на проводимость; коммутационные потери; потери в закрытом ключе из-за токов утечек и потери на управление. Во многих приложениях, работающих с большой величиной напряжения, последние два вида потерь относительно малы. Коммутационные потери зависят от длительности переходного процесса, во время которого одновременно изменяются значения тока и напряжение на ключе. Силовой ключ должен иметь очень малую паразитную емкость, чтобы сократилось время переходного процесса.
Учитывая сказанное, рассмотрим два аспекта, позволяющие сократить потери: сопротивление канала в открытом состоянии и паразитную емкость. Наиболее значимое воздействие на уменьшение сопротивления канала в открытом состоянии оказывает использование технологии Charge Balance. Впервые Super-Junction MOSFET с использованием этой технологии был создан 10 лет назад. При этом использовалась колоннообразная структура p-типа, а не хорошо известная планарная технология.
Эффект такого решения заключался в том, что электрическое поле сосредотачивалось в малолегированных областях. Благодаря использованию колонно­образной структуры p-типа, сопротивление эпитаксиального n-слоя значительно уменьшилось, по сравнению с общепринятой тогда планарной технологией. Эта технология позволила также существенно уменьшить нелинейную паразитную емкость, благодаря чему значительно сократились коммутационные потери.
Сегодня большинство Super-Junction MOSFET имеют многослойную колонно­образную структуру p-типа. Главными параметрами, играющими роль в уменьшении сопротивления открытого канала, являются соотношение сторон и расстояние между ячейками. В общем случае для увеличения коэффициента соотношения сторон необходимо увеличить число слоев, однако это повлечет за собой усложнение процесса и повышение стоимости, а также породит другие сложности [2].
Избежать указанных проблем позволила новая Super-Junction-технология, суть которой не в увеличении числа эпитаксиальных слоев, а в углублении канавок и заполнении их сначала слоями n-, затем p-типа. Таким образом, удалось достичь большей плотности ячеек и упрощения процесса производства. Главная проблема — неоднородность заполнения слоев, что приводит к ухудшению электрических параметров кристалла, из-за чего требуется весьма тщательный контроль над производственным процессом.
Сегодня уже начато производство ключей по новой технологии — Supre-MOSTM. Они имеют на 40% меньший размер, чем Super-Junction MOSFET, SuperFETTM (см. рис. 1), благодаря чему размещаются в корпусах меньших габаритов и имеют значительно меньшее сопротивление открытого канала.

Рис. 1. Вертикальная структура SuperFETTM (слева) и SupreMOSTM (справа)

Новая технология позволила существенно сократить заряд затвора и достичь сопротивления открытого канала 190 мОм для 600-В MOSFET, что вдвое меньше, по сравнению с ключами предыдущего поколения. Также уменьшилась емкость Миллера и затвор-сток. Уменьшение емкости Миллера позволит сократить потери в приложениях с жестким переключением ключей. Следовательно, ключи, выполненные по технологии Supre-MOSTM, позволят повысить частоту коммутации.
В выходном конденсаторе источника питания потребуется сохранять меньше энергии, чем раньше, в результате повышения частоты переключения. Сравнительный анализ двух изделий показал, что в преобразователях с ключами Supre-MOSTM запасаемая энергия уменьшилось примерно на 30%. В общей сложности, удалось сократить потери энергии на 4,5 Вт на 600-Вт преобразователях с рабочей частотой 120 кГц.
Также был проведено сравнение ключей Fairchild — 70-мОм SuperFET в корпусе TO-3P и 85-мОм SupreMOS в корпусе TO-220. Размещенный в большом корпусе 70-мОм SuperFET имеет большую паразитную емкость, и его динамические параметры хуже, чем у нового 85-мОм SupreMOS [2]. Результаты испытаний 800-Вт блока корректора коэффициента мощности показали, что блок с ключами нового поколения имеет лучшую энергетическую эффективность во всем диапазоне нагрузок (см. рис. 2).

Рис. 2. Эффективность и коммутационные потери в 800-Вт корректоре коэффициента мощности

Уменьшение потерь на переключение очень важно для приложений с жесткой коммутацией. В случаях, когда переключение происходит мягко — при нулевом напряжении или токе — на первый план выходят потери на проводимость. В этом случае ключи SupreMOS также имеют преимущества.

Карбид-кремниевые приборы

Другой путь уменьшения потерь состоит в использовании карбид-кремниевых (SiC) приборов. Известно, что параметры кремниевых (Si) MOSFET с максимально допустимым напряжением свыше 1000 В резко ухудшаются, и они уступают IGBT-транзисторам. Однако последние приборы характеризуются значительными коммутационными потерями. Хорошей альтернативой IGBT служат SiC JFET.
Для примера сравним нормально закрытый 1400-В SiC JFET SJEP120R063 с сопротивлением открытого канала 63 мОм компании SemiSouth и 1200-В IGBT FGL40N. Результаты сравнения, приведенные в таблице 1, показывают очевидное превосходство технологии JFET. Отметим также, что меньшая входная емкость JFET приводит и к уменьшению потерь по управлению. Большее тепловое сопротивление JFET не критично, т.к. потери в этом ключе значительно меньше.

Таблица 1. Сравнение характеристик IGBT FGL40N и SiC JFET SJEP120R063

Параметр

IGBT FGL40N

SiC JFET SJEP120R063

Входная емкость CISS, пФ

1700

1220

Эффективная выходная емкость CO(ER), пФ

260

100

Потери энергии при включении EON, мкДж

550

131

Потери энергии при выключении EOFF, мкДж

1000

94

Общие потери энергии ETOTAL, мкДж

1550

225

Тепловое сопротивление RTHJ-C, К/Вт

0,25

0,6

Упомянем еще нормально открытый SiC JFET компании Infineon с напряжением отсечки примерно –15 В. Для того чтобы перейти к состоянию «нормально закрытый», принятому в большинстве приложений, последовательно с SiC JFET включен 40-В Si-MOSFET (OptiMOS) — каскодная схема [3].
В первом прототипе силового модуля эти ключи были соединены в мостовую схему. Каждый ключ состоял из 6 параллельно включенных SiC JFET, при этом сопротивление открытого канала составило 70 мОм. На рисунке 3 показаны статические характеристики описанного каскодного ключа, в сравнении с аналогичными характеристиками Si IGBT.

Рис. 3. Статические характеристики каскодного SiC JFET и IGBT

Еще одна возможность применения SiC-приборов — использование SiC-диодов Шоттки в качестве антипараллельных диодов совместно с IGBT. На рисунке 4 [3] представлены результаты испытаний всех вариантов. Из рисунка очевидны преимущества SiC-приборов. Использование SiC JFET позволит повысить рабочую частоту до 70 кГц.

Рис. 4. Сравнение суммарных потерь IGBT, SiC JFET и IGBT с антипараллельным SiC-диодом при T = 125С°, VDC = 600 В, IRMS = 21,2 А, cosφ = 0,8

Литература

1. Голышев В. Способы повышения эффективности импульсных преобразователей// Электронные компоненты, 2008, №12.
2. Won-Suk Choi et al. A New Breakthrough in More Efficient Power Conversion//Bodo’s Power Systems, #11, 2009.
3. Zhang Xi et al. Efficiency Improvement with Silicon Carbide-Based Power Modules//Bodo’s Power Systems, #11, 2009.

 



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Игорь Алексеев, техн. консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты