авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Силовая элементная база

Силовая Электроника, № 5’2009

Чем заменить

SiC-диоды Шоттки?

На вопрос, применяет ли он SiC диоды Шоттки, разработчик аппаратуры из Чебоксар

ответил неожиданно мрачно: «Горят, как спички. Использую импортные кремниевые

UFRED HFA08TB120». В полемику никто не вступал, так как никто не сомневается, что широкозонные полупроводники будут доминировать и почти вытеснят кремний к 2025–2030 гг., как это произошло с германием. Но есть варианты и на переходный период, один из них предложен в данной статье.

• Tj max — до 300 °С.

Р Виктор Войтович, д. т. н. езкое увеличение энергопотребления послу жило толчком к развитию силовой преоб- На рынке силовой ЭКБ это самые высокотемператур vvoitovitsh@gmail.com разовательной техники, а также отечествен- ные диоды, рабочая температура которых в металлоке ной элементной базы — MOSFET, IGBT, FRED рамических корпусах типа SMD-1, SMD-2, SHD-6 (КТ Александр Гордеев и др. По высоковольтным ДМОП и низковольтным 94, КТ-95, КТ-105), КТ-106, КТ-43 достигает 250–260 °С.

Trench MOSFET усилиями ОАО «Ангстрем» Россия Высокую надёжность работы на этих температурах по iskragai@mv.ru достигла зарубежного уровня, но по Trench NPT FS казали опытные сборки GaAs p-i-n-диодов в ОАО «ОКБ IGBT, а также по IGCT, UFRED, нитрид-галлиевым «Искра» (г. Ульяновск).

Анатолий Думаневич, к. т. н. и карбид-кремниевым технологиям мы лишь с то- Научно-технической базой, платформой для разработки ской следим за достижениями западных компаний. и выпуска новых GaAs p-i-n-диодов послужили исследо sport-style@inbox.ru Несмотря на заметные успехи ряда фирм (ЗАО вания, разработки и труды советских ученых и инженеров «Группа «Кремний», ФГУП «НПП «Пульсар», ОАО в конце 70-х — начале 80-х годов в Физико-техническом «ВЗПП-Сборка», ЗАО «ВЗПП-Микрон» и др.) по соз- институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук данию отечественных кремниевых UFRED, пробле- (г. Санкт-Петербург) и НИИ Таллиннского электротех мы с их качеством и серийным выпуском остаются. нического института им. М. И. Калинина и др.

Причины в свойствах исходного материала, техноло- Арсенид галлия по сравнению с другими широко гических и электрофизических параметрах готовых зонными полупроводниками — недорогой материал, структур UFRED, радиационных способах регули- широко используемый на российских предприяти рования динамических свойств и сильно выражен- ях при выпуске СВЧ-приборов. В силовой электро ной зависимости быстродействия от температурного нике несколькими западными фирмами (IXYS, TT фактора при эксплуатации. Electronics-Semelab и др.) выпускаются только GaAs В настоящее время на мировом рынке появилась диоды Шоттки c рабочими напряжениями до 300 В и целая гамма высокотемпературных ультрабыстро- токами до 50–80 А на структурах прямого эпитакси восстанавливающихся диодов (ultrafast recovery ального выращивания из газовой фазы.

diodes) на основе GaN- и SiC-материалов, которые Технология CLIFTON использует методы эпитак имеют рабочие температуры –60…+200 °С, и ры- сиального выращивания слоев из жидкой фазы (LPE).

нок данных приборов стремительно прогрессирует. В настоящее время разработана базовая технология изготовления GaAs p+-p-i-n-n+-структур на подложках Тормозящими факторами являются их стоимость, технологические сложности реализации чипов диаметром два дюйма;

чипы новых UFRED GaAs p-i на больших площадях (до 100–200 кв. мм) и др. n-диодов значительно дешевле SiC-чипов, с позиций Рассмотрим, насколько реальна возможность бы- однородности и качества структуры данная техноло стро и эффективно улучшить характеристики крем- гия также предпочтительнее.

ниевых диодов, приблизить их к 4H-SiC-диодам Высокие пробивные напряжения достигаются за Шоттки и JBS-диодам или превзойти их. данным профилем легирования эпитаксиальных сло Компания CLIFTON AS из Эстонии (на террито- ев (слаболегированной базы и высокоомного катода) рии России и СНГ есть ее эксклюзивный дистрибью- и технологически сформированной шириной i-области.

тор — компания «Интон», г. Ульяновск) разработа- Структурное совершенство кристалла, обеспечивающее ла и начала промышленный выпуск серии мощных высокий уровень лавинообразования, достигается вы ультрабыстрых высокотемпературных GaAs p-i-n- ращиванием слаболегированной базовой p-i-n-области диодов с параметрами: в одном LPE процессе, когда высоковольтный p-i-n • VRRM = 200–1200 В;

переход формируется за счет перекомпенсации акцеп • IF = 1–200 A;

торных примесей термо-донорными, образующимися • VF = 1,4–2,3 В;

в процессе управляемого (регулируемого) охлаждения.

• trr1 = 15–40 нс (jF = 10 A/см2, di/dt = 200 A/мкс, Контролируемая концентрация рекомбинационных VR = 100 B);

центров в эпитаксиальных слоях диодной структуры • trr2 = 30–80 нс (jF = 200A/ см2, di/dt =200A/мкс, позволяет достичь исключительно низких значений VR = 200 B);

trr и Qrr. Проводимые в настоящее время исследования www.power e.ru Силовая элементная база Силовая Электроника, № 5’ Рис. 1. Структура кристалла p i n GaAs диода: 1 — анодная монокристаллическая p+ область;

2 — эпитаксиальная анодная, на два порядка более слаболегированная область p типа;

3 — эпитаксиальная слаболегированная n область катода;

4 — эпитаксиальная сильнолегированная Рис. 3. Характеристика энергии лавинного тонкая n+ буферная область катода;

пробоя 5 — меза область;

6 — омические контакты Рис. 2. Концентрационный профиль SiC-ДШ не работают при температуре по радиационной обработке GaAs p-i-n-структур выше 200 °С, они превращаются в термо • управляемость зависимости прямого па могут позволить GaAs p-i-n-диодам практически резистор.) сравняться с SiC-диодами по быстродействию, дения UF от температуры (положительная Благодаря широкой i-области емкость диода при этом у GaAs p-i-n-диодов сохраняется ряд или отрицательная), чего нет и не может значительно — в три раза (!) — меньше, чем преимуществ. быть у SiC-диода Шоттки. у SiC-диода Шоттки и значительно в меньшей На рис. 1 приведена базовая структура кри- Жесткая «мягкость» кремниевых UFRED степени зависит от напряжения. А это — ча сталла GaAs p-i-n-диода. и мягкая «мягкость» GaAs p-i-n-диодов с ро- стоты. Предельная частота GaAs p-i-n-диодов Профили распределения примесей в струк- стом температуры показаны на рис. 4. Лучшей почти на два порядка превосходит кремние туре показаны на рис. 2. антирекламы для Si UFRED нет. вые диоды и, предположительно, в два раза Промежуточная p-область создана для По своим динамическим характеристи- (при T = 250 °C) превосходит частоту комму увеличения коэффициента мягкости S = tf/ts кам восстановления и сопутствующим тации SiC-диодов Шоттки.

за счет более равномерного распределения энергетическим потерям GaAs p-i-n-диоды Энергия динамических потерь при T = 25 °C электронно-дырочной плазмы в высоко- в диапазоне до 200 °С практически не усту- и T = 100 °C показана на рис. 5. Расчеты по омной катодной зоне и снижения ее градиен- пают SiC-диодам Шоттки, выше этой тем- казывают возрастание потерь при переключе та (профиля) неосновных носителей вблизи пературы — превосходят их. (Попросту нии у SiC-диодов Шоттки при T 175 °C.

инжекционного перехода. Данная конструк ция решает еще одну задачу, какой является динамическая устойчивость (несмотря на мяг кий режим коммутации). При режиме обрат ного восстановления, из-за неравномерности электронно-дырочной плазмы, в силу неиз бежных факторов, таких как толщина эпи таксиального слоя и время жизни неосновных носителей, через диод протекает «хвост» тока, когда в то же время приложено максималь ное постоянное напряжение. Если IGBT- или MOSFET-ключ переключается резко, на диоде будут расти обратный и хвостовой ток, рез- а б кий перепад напряжения UКЭ и UСИ приведет к большой скорости нарастания напряжения Рис. 4. Температурная зависимость характеристик обратного восстановления:

dU/dt при очень высоком dI/dt. Эта пробле- а) кремниевый ультрабыстрый мощный диод;

б) гипербыстрый мощный GaAs диод ма заметно снижена данной конструкцией кристалла GaAs p-i-n-диода, что отражено на рис. 3. Минимальное значение энергии вторичного пробоя GaAs p-i-n-диодов в кор пусах ТО-220 (15 А, 600 В) составляет 20 мДж (на рис. 3 это 20.6 mJ), максимальное — до стигает 60 мДж, что говорит о высокой дина мической устойчивости диодов CLIFTON.

Что такое высокая рабочая температура GaAs p-i-n-диода (CLIFTON)?

Это:

• независимость времени восстановления trr от температуры;

• независимость и отсутствие роста Q rr от температуры;

• независимость обратного пикового тока от температуры;

• независимость коэффициента «мягкости» Рис. 5. Энергия динамических потерь от температуры;

16 www.power e.ru Силовая элементная база Силовая Электроника, № 5’ Необходимо отметить возможность регу лировки коэффициента температурной за висимости прямой ВАХ от отрицательного (рис. 7) до положительного (рис. 8) или стабилизации его, это важно при работе с MOSFET, IGBT или при использовании в выпрямительных блоках.

Сравнение нагрузочных характеристик бы стродействующих диодов на основе различных материалов приводится на рис. 9 и в таблице 1, что показывает эффективность применения GaAs p-i-n-диодов в различных преобразова Рис. 9. Зависимость прямого тока от тельных устройствах и возможность их успеш температуры ультрабыстрых мощных диодов ной конкуренции по плотности преобразован ной энергии на единицу объема.

На рис. 6–8 показаны обратные и прямые Сравнительные характеристики новых вольт-амперные характеристики GaAs p-i-n- GaAs-диодов и SiC-диодов Шоттки приведе Рис. 6. Типичная обратная ВАХ при разных диодов в зависимости от температуры. ны в таблице 2.

температурах (размер кристалла 33 мм) Таблица 1. Сравнение токовых характеристик в зависимости от температуры ультрабыстрых мощных диодов Обратное Прямое Наиме- Размер Rth(JC) напря- падение TJ (max), I (max), мА кристалла, (max), Материал нование Корпус Примечание R жение, напряжения °C изделия мм °C/Вт В (max), В 1,7 (25 °C) 1DT08S60C SiC 600 175 1 (150 °C) Нет данных 2 TO-220 Одиночный (Infineon) 2,1 (150 °C) 2,4 (25 °C) D2PAC Одиночный Si 8ETH06(IR) 600 175 0,5 (150 °C) ~3,53,5 1,8 (150 °C) TO-220 Одиночный TO 1,9 (25 °C) Одиночный (металл) DUTM15 2 (260 °C) GaAs 600–1200 260 3,13,1 2, (Clifton) 0,1 (175 °C) SMD 2,5 (260 °C) Одиночный (керамика) TO 1,6 (25 °C) Одиночный (металл) DULM20 1,5 (260 °C) GaAs 400–800 260 3,13,1 2, (Clifton) 0,1 (175 °C) SMD 1,4 (260 °C) Одиночный Рис. 7. Типичные прямые ВАХ ультрабыстрых (керамика) GaAs диодов (размер кристалла 33 мм, TO 3,13,1 1,2–1,3 Сдвоенный (металл) VRRM = 400–800 В, отрицательный SMD температурный коэффициент VF 3,13,1 1,2–1,3 (керамика) Сдвоенный DUTM30 1,9 (25 °C);

2 (260 °C);

TO GaAs 600–1200 260 55 ~1,2 Одиночный (Clifton) 2,5 (260 °C) 0,1 (175 °C) (металл) SMD 55 ~1,2 Одиночный (керамика) 3,13,1 ~1,2 DirectFET Одиночный TO 3,13,1 1,2–1,3 Сдвоенный (металл) SMD 3,13,1 1,2–1,3 (керамика) Сдвоенный DULM40 1,6 (25 °C);

1,5 (260 °C);

TO GaAs 400–800 260 55 ~1,2 Одиночный (Clifton) 1,4 (260 °C) 0,1 (175 °C) (металл) SMD 55 ~1,2 Одиночный (керамика) 3,13,1 ~1,2 DirectFET Одиночный Таблица 2. Сравнительное сопоставление новых UFRED и SiC диодов Шоттки (SiC ДШ) Наименование параметра GaAs p-i-n-диод SiC-ДШ Примечание Токи, А/чип 150 80 (Cree) – Максимальная допустимая 250 200 Максимум Tj p–i–n GaAs = 300 °C рабочая температура корпуса, °С Значение UF при Tкорп. = 200 °С, В 2,0 4, rr при T = 200 °С при токах 10–20 А, 15–40 10– напряжении 1200 В, нс Энергия потерь при переключении Е при T 200 °С Незначительный рост Резкий рост потерь – Максимальная частота коммутации в преобразователе 2,0 1,0* – (для Imax = 20 А, Umax = 1200 В, Tраб = 200 °С), МГц Рис. 8. Сравнительные прямые ВАХ UFRED Положительный, Положительный, Температурный коэффициент зависимости ВАХ – отрицательный резко выраженный (1200 В) – Si, SiC ДШ и GaAs p i n диодов, Лавинная энергия вторичного пробоя, мДж 50 Нет данных – положительный температурный коэффициент Примечание. *Предполагаемое значение.

www.power e.ru Силовая элементная база Силовая Электроника, № 5’ Реальные характеристики готовых к выпуску Таблица 3. Реальные характеристики готовых к выпуску GaAs p i n диодов GaAs p-i-n-диодов приведены в таблице 3.

fпреобр., IF (250 °C), UF (250 °C), rr (250 °C), нс Тип URRM, В Спецстойкость Корпус Траб, °С МГц A В Сравнительные динамические параметры SMD-0, FRED, UFRED Si-диодов и GaAs p-i-n-диодов SMD- UFRED-1 250 10 1,6 –65…+250 1,0 4Ус, 2к-7к показаны в таблицах 4, 5 и на соответству TO- TO- ющих графиках зависимостей токовых SMD- характеристик от частоты, приведенных SMD- TO- на рис. 10, 11.

(КТ-97А) UFRED-2 250 50 1,6 –65…+250 1,0 4Ус, 2к-7к ТО-259 Гибридизация (микросборка) данных дио (КТ-105) дов с чипами 2П829Б (полумостовая схема) SHD- (КТ-106) показала устойчивость работы такого полумо ThinKey* ста и моста на этой основе на частоте 250 кГц SMD-0, SMD-1 не хуже, чем схемотехнический и функцио SMD- нальный аналог APTC80H29SCT с SiC-диодами TO- (КТ-97А) 50 Шоттки. Во всяком случае, уже сейчас GaAs p-i UFRED-3** 600–1200 15 1,8 –65…+250 1,0 4Ус, 2к-7к ТО- n-диоды — хорошее подспорье для создания (КТ-105) SHD- новых высокоэффективных преобразователей (КТ-106) ThinKey* электроэнергии (энергосберегающая програм SMD- ма ОАО «Российская электроника»).

SMD- Необходимо отметить, что конструкция TO- (КТ-97А) кристалла в сочетании металлизацией анод UFRED-4 600–1200 50 1,6–2,2 –65…+250 1,0 4Ус, 2к-7к ТО- (КТ-105) ной и катодной областей по типу золото/золо SHD- то позволяет выполнять монтаж кристаллов (КТ-106) ThinKey* в DirectFET- или ThinKey-корпусах с дости ТО- жением частот коммутации (преобразования) (КТ-105) UFRED-5 600–1200 100 1,6–2,2 –65…+250 1,0 4Ус, 2к-7к SHD-6 до 2 МГц и выше во всем рабочем диапазоне (КТ-106) температур, а также с хорошей возможностью ThinKey* ТО-259 прямого монтажа в гибридных мощных мо (КТ-105) 4Ус5Ус, 2к-3к дулях, микросборках ВИП.

UFRED-6 1200 150 2,2 –65…+250 1,0 SHD- по 7к (КТ-106) Новые возможности LPE-технологии — ThinKey* это не только GaAs p-i-n-диодные структуры.

Примечания. UFRED легко интегрируются с MOSFET и IGBT в одном корпусе, резко повышая их частотные Появляется возможность создания в течение бли и энергетические характеристики.

* Корпус для поверхностного монтажа ThinKey планируется к разработке (максимальная рабочая температура 200 °С, жайшего времени аналога IGBT-ключа на токи нулевая индуктивность, fпреобр. до 2 МГц).

до 150 А, напряжение 1200 В с частотой коммута ** На напряжение 600–900 В поставка в течение 3 недель с момента заявки в корпусах SMD-0,5;

SMD-1 или др., в том числе бескорпусное исполнение. По остальным позициям сроки поставки — 2–3 месяца.

ции до 300 кГц, то есть выше, чем у кремниевых IGBT, на полпорядка, с потерями энергии при переключении значительно более низкими, чем у кремниевых приборов. Конструкция данного ключа будет приведена в публикации в следую щем номере журнала «СЭ».

В течение года планируются следующие раз работки на основе GaAs p+-p-i-n-n+-структур:

1. Мощный GaAs p-i-n-диод с параметрами 1200 В;

1000 А;

2,0 В;

1 МГц, 200 °С.

2. Высоковольтный столб. Параметры: 6,5– 12 кВ;

1–100 А;

50–200 нс;

200 °С.

3. В поле зрения — проработка следующих на Рис. 10. Зависимость токовых характеристик от частоты (скважность = 0,5, dIF/dt = 1000 А/мкс, TC = 100 °C, Rth(j правлений: динисторы (до 300 кГц), управ c) = 0,6 °C/Вт) ляемые тиристоры (до 300 кГц), эффектив Таблица 4. Сравнительные характеристики Si FRED, Si UFRED и GaAs p i n диодов Si-UFRED Площадь кристалла ~45–48 мм Si-FRED Размер кристалла 77 мм Clifton Размер кристалла 77 мм Параметр Обозначение значение Значение Значение Условия Условия Условия min typ max min typ max min typ max Максимальное VRRM 1200 1000 1000, обратное напряжение, В Прямой ток, А IF – 50 – 45 – Температура TJ –40…+150 –40…+150 –65…+ перехода, °C TJ = 25 °C 1,7 1,9 2,3 TJ = 25°C – 1,9 2,35 TJ = 25 °C – 1,65 1, Прямое напряжение, В VF IF = 50 A IF = 45 A IF = 50 A TJ = 125 °C – 1,9 – TJ = 100°C – 1,5 - TJ = 260 °C – 1,7 2, –6 30010– TJ= 25 °C – – 100 TJ = 25°C – 10 250 TJ = 25 °C – 0,510–3 110– Обратный ток утечки, А IR VR = 1200 В VR = 1000 В VR = 1200 В TJ = 200 °C – TJ = 125 °C – 0,8 – TJ = 150 °C – 0,15 – 510–3 610– TJ = 260 °C – Ток обратного IRRM – 40 – – 60 – – 34 – восстановления, А Заряд обратного IF = 50 A QRR – 9 – – 6 – – 0,7 – IF = 50 A восстановления, мкКл VCC = 600 В IF = 45A VCC = 600 В Время обратного di/dt = 900 А/мкс VCC = 300 В trr – 400 – – 140 – – 42 – diF/dt = 1000 А/мкс восстановления, нс L = 50 нГн diF/dt = 1000 А/мкс TJ = 25–260 °C TJ = 125 °C TJ = 100 °C 1-й этап, нс ta – 45 – – 70 – – 34 – Индуктивная нагрузка Индуктивная нагрузка 2-й этап, нс tb – 355 – – 70 – – 8 – Энергия потерь при Erec – 3,3 – – 0.6 – – 0,08 – переключении, мДж 18 www.power e.ru Силовая элементная база Силовая Электроника, № 5’ Таблица 5. Сравнительные характеристики Si FRED и GaAs p i n диодов Si-FRED Размер кристалла 99 мм Clifton Размер кристалла 99 мм Параметр Обозначение Значения Значения Условия Условия min typ max min typ max Максимальное обратное напряжение, VRRM 1200 1000, В – – Прямой ток, А IF 100 Температура перехода, TJ –40…+150 –65…+ °C TJ = 25 °C 1,7 1,9 2,3 TJ = 25 °C – 1,65 1, Прямое напряжение, В VF IF = 100 A IF = 50 A TJ = 125 °C – 1,9 - TJ = 260 °C – 1,7 2, 15010–6 30010– TJ = 25 °C – – 100 TJ = 25 °C – 110–3 210– Обратный ток утечки, А IR VR = 1200 В VR = 1200 В TJ = 200 °C – TJ = 125 °C – 1,2 – 1010–3 1210– TJ = 260 °C – Ток обратного IRRM – 70 – – 54 – восстановления, А Заряд обратного QRR – 18 – – 1 – IF = 100 A VCC = 600 В восстановления, мкКл IF = 100 A VCC = 600 В di/dt = 1600 A/мкс Время обратного diF/dt = 1600 А/мкс trr – 400 – – 40 – L = 50 пГн восстановления, нс TJ = 25–260 °C TJ = 125 °C Индуктивная нагрузка 1-й этап, нс ta – 44 – – 34 – Индуктивная нагрузка 2-й этап, нс tb – 356 – – 6 – Энергия потерь при Erec – 6,5 – – 0,09 – переключении, мДж ные фотоприемники, радиоизотопные ис точники питания, JFET, p-n-p-транзисторы до 400 В, 1,5 ГГц, термодатчики, детекторы гамма-нейтронного излучения и др.

У России появляется возможность вспомнить свое славное прошлое и достаточно быстро и эф фективно развить данное перспективное иннова ционное направление в области энергосбережения.

Аналогов приборов, приведенных в данной статье или планируемых к разработке, не существует.

Изложенные конструктивные, технологи ческие, технические решения настоящей ста тьи являются интеллектуальной собствен ностью авторов статьи, фирм CLIFTON AS Рис. 11. Зависимость токовых характеристик от частоты (скважность = 0,5, dIF/dt = 1600 A/мкс, TC = 100 °C, Rth(j–c) = 0,3 °C/Вт) (г. Тарту, Эстония);

«Интелсоб», «ИНТОН»

(г. Ульяновск).

www.power e.ru

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.