För olika typer av transistorer i kiselkarbid, SiC, väntar olika användningsområden, beroende på deras egenskaper. Konferensen iSiCPEAW 2011 pekade ut några av dessa egenskaper.

Under kiselkarbidkonferensen i Kista berättade Chris Harris, europeisk affärsutvecklare för effekthalvledare inom Cree, om världens första kommersiella MOSFET i SiC. Det är en n-kanals MOSFET som tål 1200 V och 20 A, kapslad i TO247.

– Vi har valt 1200 V av kommersiella skäl. Vid 900 V märkspänning är konkurrerar kiselkomponenter alltför mycket kostnadsmässigt. 20 A var också en lämplig storlek, men vi kommer senare att presentera 10 och 5 A. Om några år kommer 100 V, med förutsättning att vi får fram rätt material. Om med sådana chip parallellkopplade skulle vi kunna klara 300 A.
För denna presenterade MOSFET är RDSon lågt: 80 mohm i rumstemperatur. Ännu viktigare är att resistansen ökar mycket måttligt med temperaturen. Ökar vi temperaturen till 150°C stiger RDSon med bara 20 procent, att jämföra med 250 procent för en MOSFET i kisel!
– Många MOSFET-tillverkare berättar inte om detta!
Att ha ett RDSon som inte ändrar sig signifikant gör det enklare att konstruera kretslösningar med hög verkningsgrad och hög tillförlitlighet. En positiv temperaturkoefficient gör att flera komponenter kan parallellkopplas för att klara högre strömmar.
En annan fördel med den DMOSFET som Cree nu presenterar, CMF20120, är den mycket låga läckströmmen i från-läge. Vid 400 V ligger den kring 0,1 µA för att stiga till låga 1 µA vid 1200 V. Som jämförelse är läckströmmen kring 250 µA för en IGBT i kisel, vid 1200 V. Det är det stora bandgapet i SiC som möjliggör låg läckström.

Läckströmskarakteristik för CREE CMF20120 jämförd med kiselkomponenter.
Källa:CREE

Medan läckströmmen stiger starkt med ökad temperatur i en MOSFET av kisel ändrar den sig mycket litet i en SiC MOSFET.
Vid brytning av strömmen genom en induktans utsätts en transistor för en snabb transient med hög spänningsderivata, vilket kan skapa lavingenombrott. Man brukar därför skydda transistorn med en klampdiod. CREE visar att deras MOSFET klarar att bryta 20 A, utan klampdiod, och att spänningspulsen då tillåts nå höga 2100 V för denna MOSFET, märkt 1200 V!

SiC MOSFET tros kunna utvecklas mot såväl högre spänning som högre strömmar. Därmed kommer den i allt högre grad att konkurrera med IGBT. (Källa: CREE)

Ökad verkningsgrad
Chris Harris gav under sin presentation flera exempel på hur man genom att välja MOSFET i SiC i stället för IGBT i Si kunde höja verkningsgraden rejält. Exempelvis har Fraunhofer visat hur verkningsgraden kunnat höjas från 95,9 procent, då en Si IGBT används, till 97,9 procent med SiC MOSFET. Det betyder att förlusterna har minskat från 4,1 till 2,1 procent vilket betyder mycket i den 7 kW frekvensomriktare man gav som exempel.
ABB Drive har visat att man med SiC i stället för Si kan förbättra verkningsgraden med ca 2 procent, till 96,8 procent, i styrkretsar för elmotorer.
– I frekvensomriktare för solcellpaneler ligger rekordet på 99,05 procents verkningsgrad, berättade Chris Harris.
Han vill gärna avliva de myter som har etablerats runt MOSFET i kiselkarbid, nämligen att gate-oxiden skulle vara otillförlitlig, att komponenterna skulle bli alltför dyra på grund av en komplicerad process och att de skulle ha dålig kanalmobilitet. Denna uppges ligga på upp till 25 cm2/V-s vid Vg=20 V för den DMOSFET som Cree har tagit fram, vilket är ett mycket gott värde.
Tillgången till 4 tums SiC-wafers med mycket få defekter och god planhet, i kombination med en modern process, har möjliggjort tillverkningen av CMF20120. En DMOSFET är typiskt uppbyggd med 50 000 till 100 000 celler.
Chris Harris berättade också att CREE inom kort kommer att presentera en 1700 V DMOSFET.
Nästa generations 1200 V SiC DMOSFET kommer att få en dramatiskt minskad RDSon och man kommer att kunna sänka kostnaderna med 60 procent, bl a på grund av övergången till 6 tums wafer.

Icke ledande jfet
Av säkerhetsskäl vill man i många tillämpningar ha transistorer som icke leder när de inte styrs ut. Bland annat vill bilindustrin ha komponenter av typen ”normally off”.

David Sheridan, Semisouth, berättade om marknadens första och enda ”normally off” JFET, för 1200 V eller 1700 V. SemiSouth tillverkar även ”normally on” JFET samt Schottkydioder i kiselkarbid.
SemiSouths FET av typen ”normally off” har en vertikal kanal. därför benämner man den VJFET.

SemiSouths FET av typen ”normally off” har en vertikal kanal mellan source och drain.
Källa: SemiSouth
Uppbyggnaden sägs ge 3-10 gånger mindre chipyta och 50 procent färre tillverkningssteg, jämfört med sedvanlig uppbyggnad av JFET. Den energi som tillförs vid omkoppling uppges vara 5-10 gånger lägre. Det betyder att en VJFET kan switchas med hög frekvens och ge hög verkningsgrad.

JFET från Infineon
Under iSiCPEAW beskrev Peter Friedrichs, senior director SiC inom Infineon AG IMM, företagets 1200 V JFET som kommer att säljas dels som diskreta komponenter, dels ingå i moduler. Denna JFET är en lateral-vertikal konstruktion där strömmen går i ”halvledarkroppen” (”bulk”) vilket ger mycket låga RDSon-värden. Jämfört med en MOSFET i SiC kan man undvika gate-strukturen, med dess kritiska oxidskikt, och få lägre kapacitanser.
Uppbyggnaden innebär att man får en intern ”body diode”, med egenskaper liknande Schottkydioder. Det sparar in komponentkostnader i exempelvis en frekvensomriktare där man annars hade behövt komplettera med en frihjulsdiod. Tack vare kort återhämtningstid i Schottkydioder i SiC blir förlusterna vid synkron likriktning mycket låga.
Kortslutningsegenskaperna uppges vara goda, med en pentodliknande ström/spänningskarakteristik.
Driftzonen i transistorn kan skalas upp för att ge högre spänningstålighet, upp till flera kV.
Peter Friedrichs avslutade sitt föredrag med att konstatera:

– Vi förväntar oss fantastiskt god tillförlitlighet i JFET-baserade lösningar!
Och han nämnde också att ytterligare fördelar väntar då man går över till att producera på 6 tums SiC-wafers.

Bipolära transistorer
Det svenska företaget TranSiC köptes under april upp av Fairchild Semiconductor för att komplettera sina egna MOSFET, IGBTer och multichipmoduler baserade på kisel. Därmed fick Fairchild tillgång till TranSiCs teknik för bipolära transistorer, BJT, i kiselkarbid.

Martin Domeij, en av grundarna av TranSiC, berättade under konferensen om de många fördelar man kan få med bipolära npn-transistorer i SiC, utformade för 1200 V märkspänning. Han visade resultatet av praktiska försök med en switch i 150°C omgivningstemperatur. 800V och 50 A gav en tillslagstid på 30 ns och en frånslagstid på 20 ns, utan den annars traditionella ”svans” som uppkommer på grund av inneboende laddning i transistorn. Denna uppträder inte heller då temperaturen höjs till 250°C.
Switchenergin är 70 procent lägre än för en IGBT för 800V/50 A. På grund av SiC-transistorns snabbhet kan switchfrekvensen ökas och induktorns dimensioner därmed minskas.
Ett kortslutningstest (800V/12A) visar att en SiC BJT inte är känslig för sekundärt genombrott. Det beror på att man kan dopa hårdare än i en Si BJT.
Ett försök med en ”oklampad” switchkrets, dvs utan frihjulsdiod, visar okänslighet mot lavinartat genombrott.
Bipolära kiseltransistorer för hög effekt brukar ha låg strömförstärkningsfaktor. Men till skillnad från dessa visar TranSiCs SiC BJT vid 25°C upp en strömförstärkningsfaktor på 117 gånger vid 22 A och 75 gånger vid 50 A! Transistorn är extremt lågresistiv per ytenhet, ron=2,7 mohmcm2, vilket betyder låga switchförluster.

Kraftfulla moduler
Det amerikanska företaget APE inc, har tagit fram två moduler som passar att använda i bl a i stora frekvensomriktare. Modulerna är specificerade att tåla 120 A och 1200 V. Den ena klarar 225°C och innehåller 8 stycken JFET samt 6 dioder från SemiSouth. Den andra tål 200 grader och är uppbyggd kring 6 MOSFET och 4 dioder från CREE.
Edgar Cilio, från APE Inc, berättade att företaget för USAs flygvapen, i samarbete med CREE, hade utvecklat en 3 fas frekvensomriktare för 5 kW med SiC-komponenter. Med 200°C halvledartemperatur och 50 kHz switchfrekvens uppnådde man som bäst 96,7 procents verkningsgrad.

Filed under: Teknikartiklar