Struktura półprzewodnikowa Side Wall Gate

Struktura półprzewodnikowa Side Wall Gate – następca technologii Trench

Nowa struktura krzemowa tranzystorów nazwana Side Wall Gate charakteryzuje się doskonałymi parametrami przekraczającymi barierę wyznaczaną dotychczas przez strukturę typu Trench. Stanowi ona wypełnienie luki pomiędzy standardowymi półprzewodnikami krzemowymi a technologiami o podwyższonym paśmie zabronionym.

Technologia Bipolarnych Tranzystorów z Izolowaną Bramką (IGBT) stanowi podstawę większości projektowanych ówcześnie przekształtników. Ich bipolarna struktura umożliwia procesy łączeniowe w aplikacjach dużych mocy i pozwala efektywnie przetwarzać energię w przemyśle, trakcji, dystrybucji i przesyle czy przemyśle motoryzacyjnym. Z drugiej strony pojawiają się rynkowe elementy półprzewodnikowe o podwyższonym paśmie zabronionym. To duża nowość w aplikacjach najwyższych mocy. Główną ich zaletą są niskie straty mocy. Hitachi jest firmą promującą ten rodzaj najnowszej technologii poprzez publikacje akademickie oraz wprowadzanie produktów w technologii SiC w obudowach nHPD2. Jednak nie oznacza to, że technologie oparte na krzemie nie znajdą w przyszłości swojego zastosowania na rynku.

Wstęp

Dominujący na rynku półprzewodników mocy element IGBT od momentu jego wprowadzenia zapewnił dużą poprawę wydajności urządzeń. W latach 80-tych tranzystory IGBT typu Planar Gate były technologią opartą na pojedynczym krzemowym rdzeniu. Ich następcą w latach 90-tych stały się elementy Trench Gate. Od czasu tej skokowej zmiany technologia Trench Gate szybko zbliżyła się do szczytu swojej wydajności. Technologia węglika krzemu (SiC) jest postrzegana dzisiaj, jako element zaspokojenia potrzeby ciągłego doskonalenia, chociaż nie bez własnych wad. Jednym z największych problemów SiC jest stosunek kosztów do niezawodności i wydajności. Staramy się wypełnić lukę między technologią Trench Gate a elementami SiC MOS, mając świadomość dwóch głównych parametrów rynkowych – kosztów i niezawodności. HITACHI stawia się na pozycji lidera, który jako pierwszy uruchomi produkty oparte o rewolucyjną technologię krzemową: Side-Wall Gate (SWG).

Budowa

Tranzystory Side Wall Gate posiadają nowy typ struktury IGBT, w której gruba warstwa tlenku pokrywa większość powierzchni bramki pozostawiając tym samym mniejsze odsłonięte domieszkowane obszary typu p oraz n (rysunek 1). Taka budowa pozytywnie wpływa na efekt Millera poprzez zmniejszenie pojemności Cres i daje możliwość poprawy charakterystyki zdolności zaporowych diody (dv/dt) w funkcji strat łączeniowych diody (Eon+Err) w porównaniu do powszechnie stosowanych modułów IGBT (rysunek 3).

Jednocześnie redukcja pojemności wpływa na zmniejszenie strat wyłączania tranzystora IGBT.

Motywacje

Podczas gdy producenci urządzeń półprzewodnikowych dążą do rozwiązań o podwyższonych częstotliwościach łączeniowych w celu obniżenia kosztów systemowych, a w szczególności dużych i ciężkich elementów indukcyjnych, rzadko rozwiązania te są w stanie wydobyć parametry półprzewodników zaoferowane w kartach katalogowych. Dla przykładu, w sterowaniu silnika, ograniczenia są nakładane przez specyfikację izolacji uzwojeń, co prawdopodobnie zmusi projektanta falownika do zmniejszenia swoich ambicji dotyczących szybszego przełączania, gdy poziom dV/dt osiąga lub przewyższa bezpieczne warunki pracy silnika. Jeśli zostanie on zmuszony do ograniczenia częstotliwości przełączania z powodu ograniczeń dV/dt, korzyści związane z wydajnością modułu szerokopasmowego, na przykład MOS SiC, mogą zostać utracone, a koszt stanie się nagle krytyczną barierą. W takich przypadkach rozwiązanie pośrednie staje się coraz bardziej interesujące i stanowi kluczową motywację do wprowadzenia przez HITACHI struktury Side Wall Gate.

Rozważmy przyrządy o klasie napięciowej 600V-1200V zaadaptowane w konstrukcji falownika. Przyjmuje się w tym przypadku, że częstotliwość przełączania (fsw) jest stosunkowo wysoka. Szczególnie, jeśli porównujemy ją z aplikacjami, gdzie stosuje się półprzewodniki o klasie napięciowej 6500V. W przypadku niskich napięć zmniejszenie strat łączeniowych będzie kluczowe ze względu na dominację zdarzeń przełączania w porównaniu z przewodnictwem statycznym. Ważne jest również, aby tłumić napięcie udarowe podczas przełączania zapewniając solidną konstrukcję systemu o wysokiej niezawodności.

Teraz rozważmy sektor motoryzacyjny, jeden z sektorów rynkowych, który szybko adaptuje technologię tranzystorów IGBT do napędu pojazdów. Sytuację tą wymusza konieczność zmniejszania emisji CO₂ zgodnie ze standardami EU6c. Na producentów nakłada się kilka obowiązkowych ograniczeń dotyczących kosztów, rozmiarów oraz niezawodności układów. Mimo tego producenci muszą zachować doskonałe wrażenia z jazdy. Elementy WBG byłyby logiczną bazą wyjściową dla falownika, ale koszty systemu mogą znacząco wzrosnąć, jeżeli częstotliwość przełączania jest ograniczona do 12 kHz przez silnik elektryczny. Wyzwaniem jest,  aby uzyskać lepszą charakterystykę przełączania bez naruszania ograniczeń izolacji silnika. Biorąc to pod uwagę, struktura tranzystora IGBT Side Wall Gate jest doskonałą alternatywą zapewniającą kompromis pomiędzy kosztami i wydajnością systemu.W wysoce konkurencyjnym środowisku cenowym urządzenia wysokonapięciowe SiC mogą czasami stać się ofiarą własnego sukcesu, obawiając się komercyjnych wymagań systemowych, pomimo ich nieodłącznych zalet technicznych. Z drugiej strony, oparty na krzemowej strukturze i istniejących liniach produkcyjnych Side Wall Gate, jest porównywalny pod względem kosztów produkcji oraz czasów dostawy do technologii tradycyjnych Planar i Trench.

Side Wall Gate: Automotive 1200V IGBT

Rysunek 4 porównuje orientacyjne przebiegi wyłączania tranzystora IGBT typu Trench Gate i Side Wall Gate (SWG). SWG pozwala na 30% szybsze wyłączanie dzięki mniejszej pojemności Millera. Pomimo szybszego wyłączania tranzystora IGBT wartość di/dt, przy której napięcie szczytowe zostało osiągnięte, ma taki sam poziom jak przy konwencjonalnej strukturze urządzenia, co jest istotną zaletą SWG. Straty wyłączania (Eoff) są około 40% niższe w porównaniu do konwencjonalnego Trench IGBT przy tym samym V_CE (sat), co ilustruje rysunek 4.

Porównanie przebiegów załączania pokazano z kolei na rysunku 5. SWG wykazuje szybsze załączanie, podobnie jak było to w przypadku wyłączania. Prąd szczytowy SWG jest mniejszy niż dla konwencjonalnego tranzystora IGBT. Zarówno obniżenie strat w tranzystorze SWG, oraz diodzie modułu pozwala osiągnąć zadawalającą redukcję strat Eon całkowitych na poziomie 12%.

 Przebiegi odzyskiwania zdolności zaporowych diody modułu Trench oraz SWG zostały pokazane na rysunku 6. Zarówno prąd szczytowy, jak i prąd końcowy są mniejsze przy zastosowaniu technologii SWG. Pomimo identycznego Vf w obu przypadkach możemy zaobserwować redukcję strat podczas odzyskiwania zdolności zaporowych diody w module SWG nawet do 9% (Err).

Badania na poziomie modułu

W celu potwierdzenia charakterystyk na poziomie urządzenia w odniesieniu do danych symulacyjnych tranzystory IGBT SWG zostały umieszczone w obudowie HITACHI 98,5 mm x 168 mm (rysunek 7). Wyniki pomiarów są zgodne z modelem symulacyjnym dla przebiegów wyłączania, załączania i odzyskiwania zdolności zaporowych diody (rysunki 8).

 Eoff nowego Side Wall Gate IGBT potwierdza mniejsze straty mocy niż w przypadku konwencjonalnego tranzystora IGBT. Podobnie, Eon + Err przy zastosowaniu odpowiedniego rezystora bramkowego są zgodne z danymi uzyskanymi podczas symulacji.

Ze względu na mniejszą pojemność Millera wynikającą z konstrukcji SWG, napięcie bramka – emiter staje się bardziej stabilne przy niższym szczycie Vge. Ta wyróżniająca się cecha, w porównaniu do konwencjonalnej struktury Trench Gate generuje mniejszy o 30% szczytowy prąd zwarcia.

Następne kroki

Po pierwszym zaprezentowaniu produktu Side Wall Gate w postaci modułu MBB400TX12A w czwartym kwartale 2017 roku (3-fazowy moduł pin-fin o nominalnych wartościach 400A / 1200V) linia zostanie rozszerzona w celu osiągnięcia poziomu napięcia elementów do 6500V. Pokrycie klas napięciowych od 600V do 6500V przyniesie Side Wall Gate zasłużoną pozycję rynkową, pierwszej od 20 lat rewolucyjnej technologii IGBT opartej na krzemie. Rodziny obudów typu pin-fin dedykowane dla układów chłodzenia wodnego zarówno w tradycyjnym HV-IHM, jak i nowym standardzie nHPD2 będą wspierane technologią SWG. MBN1000FH65G2 będzie flagowym produktem w technologii Side Wall Gate. Jest to moduł o parametrach znamionowych 1000A i 6500 V (obecnie dostępny w wersji do testów).

Informacje dla pierwszej specyfikacji z serii „A” Side Wall Gate dla rodziny napięć 600V-1200V oraz serii „G2” (napięcia większe i równe 1700V zostały przedstawione w środowisku akademickim za pośrednictwem publikacji Y. Takeuchi’ego „A Novel Hybrid Power Module with Dual Side Gate HiGT and SiC-SBD” ISPSD 2017. Artykuł przedstawia długoterminową wizję oferowaną przez technologię Side Wall Gate.

Podsumowanie

HITACHI zakończyło pierwszą fazę swojej strategii, która ma na celu zlikwidowanie dużej różnicy wydajności pomiędzy elementami krzemowymi a elementami z węglika krzemu przy jednoczesnej próbie obniżania kosztów aplikacji pośrednich. Dzięki niskiemu poziomowi Cres struktury Side Wall Gate możliwe jest przełączanie wyższych częstotliwości z 20% niższymi stratami unikając jednocześnie zagrożenia zniszczenia uzwojeń silnika. Bazując na tradycyjnym surowcu, którym jest krzem, możemy łatwo określić niezawodność oraz opłacalność systemów, szczególnie w przypadku aplikacji o dużej skali, np. samochodowych układach napędowych. W porównaniu do układów opartych na elementach o podwyższonym paśmie zabronionym wydajność SWG będzie mniejsza, ale koszty systemu będą niższe.

Dane kontaktowe:

Radosław Sobieski
Markel Sp. z o.o., ul. Okulickiego 7/9, 05-500 Piaseczno, Polska
Tel.: +48 (22) 428 10 29 lub email markel@markel.pl

Chris White
Hitachi Europe Limited, Whitebrook Park, Maidenhead, SL6 8YA, United Kingdom.
Tel.: +44 (0)1628 585148 lub email nHPD2@hitachi-eu.com