Транзисторы для мощных источников питания: какую технологию выбрать?

10 февраля

телекоммуникацииуправление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Франческо Ди Доменико (Infineon)

Читая восторженные статьи о внедрении широкозонных полупроводников (SiC и GaN), можно прийти к выводу, что эра кремния в мощных импульсных источниках питания закончилась. Однако есть масса приложений, где он остается незаменимым и не скоро сдаст свои позиции. Об этом рассказывает специалист компании Infineon.

Полупроводниковые приборы, изготовленные из материалов с широкой запрещенной зоной, с каждым днем используются все в большем количестве приложений. Немаловажную роль в этом играет то, что транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) на бумаге имеют лучшие характеристики, чем их аналоги, выполненные из кремния (Si), пока еще остающегося традиционным материалом для изготовления многих полупроводниковых приборов. Основными преимуществами широкозонных полупроводников являются меньшие потери проводимости и возможность работать при более высоких температурах кристаллов. Это значит, что импульсные преобразователи электрической энергии (Switching Mode Power Supplies, SMPS) с карбид-кремниевыми и нитрид-галлиевыми транзисторами теоретически должны иметь более высокие значения КПД и удельной мощности. Однако практика показывает, что замена кремниевых транзисторов их широкозонными аналогами не всегда приводит к ожидаемому результату, и есть достаточно много случаев, когда использование кремния все еще остается оптимальным технологическим выбором.

Особенности транзисторов для преобразователей с высоким КПД

В последние годы в области импульсного преобразования сложился определенный баланс между реальным значением КПД, которого можно достичь при использовании существующих технологий, и ценой, которую современные потребители готовы платить за столь высокую эффективность. В этой статье будут рассмотрены характеристики одной из основных сфер применения широкозонных транзисторов – сетевых источников питания, состоящих из корректора коэффициента мощности (ККМ) (Power Factor Corrector, PFC) и изолированного преобразователя постоянного напряжения (DC/DC-Converter). Рассмотрим, всегда ли новые полупроводниковые материалы – карбид кремния и нитрид галлия – позволяют создавать преобразователи с лучшими характеристиками, чем при использовании традиционного кремния.

Для начала следует отметить, что транзисторы, выполненные из разных полупроводниковых материалов, имеют разную конструкцию. Кремниевые транзисторы с суперпереходом и их карбид-кремниевые аналоги относятся к классическим полевым транзисторам с изолированным затвором – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) и чаще всего имеют вертикальную структуру, в которой ток протекает через несколько слоев полупроводникового материала, легированных разными примесями (рисунок 1). В нитрид-галлиевых транзисторах ток протекает в плоскости нелегированного кристалла, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда, из-за чего силовые транзисторы из нитрида галлия относят к отдельному классу полупроводниковых приборов – HEMT (High-Mobility Electron Transistors).

Рис. 1. Конструкция транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов

Рис. 1. Конструкция транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов

Разная конструкция и разные полупроводниковые материалы приводят к большому расхождению параметров и характеристик приборов. Для сравнения транзисторов, выполненных по разным технологиям, часто используют показатели или метрики качества (Figures of Merit, FoM), сочетающие в себе и статические, и динамические характеристики прибора. Чаще всего метрики качества являются произведением сопротивления канала в проводящем состоянии RDS(ON) и одного из параметров, определяющих потери при коммутации.

Анализ параметров транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов, показывает, что если анализировать только метрики качества, основанные на величинах заряда паразитной емкости сток-исток (Qoss), заряда входной емкости (Qg) или заряда восстановления паразитного антипараллельного диода (Qrr), то кремниевые транзисторы выглядят намного хуже своих аналогов (рисунок 2). Однако если проанализировать метрику качества, равную произведению сопротивления канала RDS(ON) и энергии, запасаемой в выходной емкости (Eoss) и во многом определяющую комплексные потери, возникающие при работе транзистора, то окажется, что кремниевые транзисторы по этому параметру лучше своих карбид-кремниевых аналогов, а самыми лучшими являются транзисторы, изготовленные из нитрида галлия. Однако является ли такой вывод корректным? Попробуем разобраться в этом вопросе более детально.

Рис. 2. Метрики качества транзисторов с максимальным напряжением 600/650 В, изготовленных из разных полупроводниковых материалов

Рис. 2. Метрики качества транзисторов с максимальным напряжением 600/650 В, изготовленных из разных полупроводниковых материалов

Одним из приоритетных направлений развития импульсных преобразователей является повышение их удельной мощности. И если уменьшение объема, занимаемого преобразователем, происходит при том же значении КПД, то такая модернизация неизбежно приведет к увеличению рабочих температур всех его компонентов, в том числе и транзисторов. Однако все параметры транзисторов, в первую очередь – сопротивление канала в проводящем состоянии RDS(ON), зависят от температуры, а вот характер этой зависимости уже определяется типом полупроводникового материала. Наибольшую зависимость сопротивления канала от температуры имеют кремниевые транзисторы с суперперходом. Сопротивление канала нитрид-галлиевых HEMT благодаря меньшему количеству примесей меньше зависит от температуры, однако наибольшую стабильность этого параметра имеют карбид-кремниевые MOSFET. Если взять за основу сопротивление канала при 25⁰С, то окажется, что при разогреве кристаллов до 100⁰С сопротивление канала карбид-кремниевого MOSFET возрастет на 26% менее, чем у нитрид-галлиевого HEMT, и на 32% менее, чем у кремниевого транзистора с суперпереходом (рисунок 3). Это значит, что кремниевый транзистор, имеющий при комнатной температуре RDS (ON) = 70 мОм, после прогрева может иметь худшие метрики качества, чем карбид-кремниевый транзистор, у которого сопротивление канала при комнатной температуре равно 100 мОм.

Рис. 3. Нормализованные зависимости сопротивлений каналов от температуры

Рис. 3. Нормализованные зависимости сопротивлений каналов от температуры

Анализ примеров построения сетевых источников питания мощностью 3 кВт

Хорошим примером практического применения различных полупроводниковых материалов являются сетевые источники питания, предназначенные для телекоммуникационного оборудования. Поскольку подобная техника работает круглосуточно, увеличение КПД ее источников питания является прямым путем уменьшения расходов на электроэнергию, а значит – и снижения стоимости предоставляемых услуг. На сегодняшний день типовой источник питания для телекоммуникационной техники при 50% загрузке должен иметь КПД не менее 97%, а устройства премиум-класса – не менее 98%. Однако столь высокого значения КПД для устройств, имеющих два каскада преобразования энергии (корректор коэффициента мощности и преобразователь постоянного напряжения), достичь не так просто. Для этого нужно не только выбрать тип транзисторов, но еще и правильно подобрать схему и режим работы каждого из каскадов.

Чтобы источник питания телекоммуникационного оборудования с выходным напряжением 48 В и максимальной мощностью 3 кВт при нагрузке 50% имел общий КПД 98%, КПД его ККМ в этом же режиме должен быть не менее 99%. На сегодняшний день корректоры коэффициента мощности могут иметь разную конфигурацию силовой части. Чаще всего используются схемы на основе диодного выпрямителя и повышающего каскада (в том числе и двухфазного – Dual-Boost PFC), разновидности безмостовых схем (схем без классического диодного выпрямителя, называемых в англоязычной литературе схемами на основе «тотемного столба» – Totem-Pole PFC) или схемы на основе повышающего каскада, работающего на переменном токе (H4/H-bridge PFC). Кроме того, на характеристики ККМ во многом влияет режим работы силовой части, которая может работать как в режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode, CCM), так и в режиме с треугольной формой токов (Triangular Current Mode, TCM). Однако далеко не все схемы ККМ позволяют достичь высоких значений КПД. Особого внимания заслуживает безмостовая схема с четырьмя управляемыми ключами (Full-Bridge Totem-Pole PFC), два из которых являются нитрид-галлиевыми HEMT, работающая в режиме CCM – ее КПД достигает 99,3% (рисунок 4). Однако это не намного больше, чем при использовании в этой же схеме традиционных кремниевых транзисторов с суперпереходом, работающих в режиме TCM, КПД которой также превышает 99%.

Рис. 4. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, КПД которых превышает 99%

Рис. 4. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, КПД которых превышает 99%

В других схемах переход на элементную базу на основе широкозонных полупроводников также не всегда дает ожидаемый эффект. Например, двухтранзисторная версия безмостового ККМ (Half-Bridge Totem Pole PFC) на основе нитрид-галлиевых транзисторов, работающих в режиме CCM, хоть и имеет меньшее количество управляемых ключей, но из-за меньшего значения КПД, не превышающего 98,8%, уже не подходит для блоков питания премиум-класса. А КПД той же двухтранзисторной безмостовой схемы, но уже на основе карбид-кремниевых транзисторов, также работающих в режиме CCM, оказывается еще меньше, чем при использовании нитрид-галлиевых приборов, и не превышает 98,6% (рисунок 5). Это позволяет сделать вывод, что не всегда транзисторы из широкозонных полупроводников, имеющих отличные характеристики на бумаге, могут улучшить параметры реальных схем. Поэтому традиционные кремниевые MOSFET с суперпереходом все еще остаются актуальной элементной базой, и при соблюдении определенных условий характеристики источников питания на их основе могут быть лучше, чем при использовании новых технологий. Правда, следует отметить, что четырехтранзисторный безмостовой корректор коэффициента мощности, силовая часть которого работает в граничном режиме, является одним из самых дорогих вариантов построения этого узла и самым сложным в плане управления силовыми транзисторами.

Рис. 5. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, построенных по разным схемам

Рис. 5. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, построенных по разным схемам

И здесь мы подходим к ключевому моменту всей статьи: на сегодняшний день кремниевые транзисторы все еще остаются дешевле их широкозонных аналогов с такой же установочной мощностью. Кроме того, кремниевые технологии хорошо изучены, а инженеры, работающие в области силовой электроники, имеют богатый практический опыт по использованию приборов на основе этого полупроводникового материала. Однако возможности новых технологий также не стоит недооценивать. Не следует забывать, что при использовании кремниевых транзисторов высокие характеристики узлов источника питания, в данном случае – ККМ, обычно достигаются использованием более сложной конструкции и более сложных методов управления. А вот переход на новые технологии в большинстве случаев позволит достичь тех же характеристик, но гораздо меньшей ценой.

Проанализируем теперь второй узел источника питания телекоммуникационной аппаратуры – изолированный преобразователь постоянного напряжения. Чтобы сетевой источник питания соответствовал мировым стандартам и обеспечивал при 50% загрузке КПД не хуже 98%, необходимо, чтобы его преобразователь постоянного напряжения в этом режиме имел КПД не меньше 99,1% (при условии, что КПД ККМ не меньше 99%). Самой простой схемой силовой части, которая может быть использована для этого узла, является резонансный полумостовой LLC-преобразователь. Эта схема является простой и понятной и подходит для использования транзисторов, изготовленных из всех рассмотренных полупроводниковых материалов (Si, GaN и SiC). Однако максимальное значение КПД, которое может обеспечить источник питания с однофазным полумостовым LLC-преобразователем, не превышает 97% (при нагрузке 50%) при условии, что КПД его корректора коэффициента мощности в этом режиме не ниже 99%.

Достигнуть  требуемого значения КПД можно путем использования более сложных многофазных схем преобразователя, например, трехфазной полумостовой схемы (Three-Phase Interleaved Half-Bridge LLC-converter). Однако в этом случае использование вместо кремниевых транзисторов их широкозонных аналогов не даст никакого дополнительного увеличения КПД. При использовании трехфазной схемы можно лишь несколько увеличить удельную мощность за счет размещения всех трех трансформаторов на одном магнитопроводе, однако такой подход требует глубокого понимания механизма работы индуктивных компонентов.

Нитрид-галлиевые и карбид-кремниевые транзисторы в этом случае могут иметь другие преимущества, например, с их помощью можно оптимальнее скомпоновать силовую часть преобразователя. Кроме того, использование транзисторов на основе широкозонных полупроводников может быть обосновано в LLC-преобразователях, построенных по другим схемам, в частности двухфазной полумостовой или двухфазной мостовой. Следует отметить, что все многофазные LLC-схемы имеют лучшие характеристики по сравнению со своими однофазными эквивалентами, в первую очередь – за счет разделения преобразуемой мощности между несколькими силовыми каналами, приводящего к распределению мощности тепловых потерь между большим количеством элементов и, как следствие, к более эффективному охлаждению транзисторов. При этом полумостовые версии многофазных преобразователей имеют меньшее количество ключей, что упрощает управление силовой частью, а мостовые – повышенную частоту пульсаций выходного напряжения и несколько меньшее выделение тепла на транзисторах, расположенных на первичной стороне.

Не следует также забывать и об удельной мощности, ведь для некоторых приложений ее значение является критическим. К сожалению, увеличить удельную мощность импульсных схем можно только одним способом – увеличением частоты преобразования. А в этом случае нитрид-галлиевые транзисторы имеют неоспоримые преимущества по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. При использовании в силовой части LLC-преобразователя нитрид-галлиевых транзисторов его КПД может оставаться в заданных пределах при повышении рабочей частоты до 500 кГц, в то время как КПД источников питания, построенных на основе транзисторов из кремния и карбида кремния, катастрофически падает уже при частоте преобразования, равной 300 кГц (рисунок 6).

Рис. 6. Влияние частоты преобразования на КПД LLC-преобразователя

Рис. 6. Влияние частоты преобразования на КПД LLC-преобразователя

Обратите внимание, что при повышении рабочей частоты увеличение удельной мощности происходит в основном за счет миниатюризации реактивных элементов, принимающих непосредственное участие в процессе преобразования: трансформаторов, дросселей и фильтрующих конденсаторов. Также объем, занимаемый преобразователем, можно уменьшить за счет применения радиаторов меньшего размера и более эффективных систем охлаждения. А вот количество и размеры других узлов, например, вспомогательных источников питания, особенно при использовании технологии поверхностного монтажа, на удельные характеристики сетевых источников питания такой мощности практически не влияет. В целом, увеличив рабочую частоту преобразователя постоянного напряжения с 100 кГц до 300 кГц, можно уменьшить размеры источника питания приблизительно на 30%.

Так какой же полупроводник лучше?

К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос, как вы уже поняли, не существует. Кремниевые транзисторы, в производстве и использовании которых на сегодняшний день накоплен огромный опыт, все еще будут использоваться во многих практических разработках уже хотя бы потому, что при определенных условиях КПД источников питания на их основе может быть ничем не хуже, чем при использовании широкозонной элементной базы. Однако когда требования к источнику питания выйдут за рамки нынешних типовых значений, вполне вероятно, использование кремниевых транзисторов уже не сможет удовлетворить столь жесткие требования, и тогда широкозонным полупроводникам просто не будет альтернативы. Например, нитрид галлия лучше всего использовать в приложениях, критичных к величине удельной мощности, поскольку транзисторы на его основе обладают отличными характеристиками в широком диапазоне частот. А вот для преобразователей, работа которых планируется в сложных температурных условиях, особенно при работе в зоне повышенных температур, лучше всего подходят транзисторы из карбида кремния. В любом случае, проведенный в этой статье анализ показывает, что к выбору полупроводникового материала для силовых транзисторов необходимо подходить сбалансированно и непредубежденно, а для своих разработок выбирать только надежных и проверенных производителей электронных компонентов, не отвлекаясь на блестящие перспективы новомодных передовых технологий, которые, возможно, на практике пока еще не достигнуты.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт. В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню р ...читать далее

Товары
Наименование
IPP60R170CFD7XKSA1 (INFIN)
IPW60R170CFD7XKSA1 (INFIN)
IPW60R070CFD7XKSA1 (INFIN)
IPW60R031CFD7XKSA1 (INFIN)
IPW60R040CFD7XKSA1 (INFIN)
IGOT60R070D1AUMA1 (INFIN)
IPZA60R045P7XKSA1 (INFIN)
IPZA60R120P7XKSA1 (INFIN)
IPZA65R018CFD7XKSA1 (INFIN)