Suurjännitteiset puolijohdepohjaiset tehokytkinkomponentit

Esitys aiheesta: "Suurjännitteiset puolijohdepohjaiset tehokytkinkomponentit"— Esityksen transkriptio:

1 Suurjännitteiset puolijohdepohjaiset tehokytkinkomponentit
Antti Pynnönen

2 Suurjännitteiset puolijohdepohjaiset tehokytkinkomponentit
Diodi, MOSFET, IGBT Kuinka valita oikea tehokytkinkomponentti? Staattiset ominaisuudet Dynaamiset ominaisuudet Millä tavoilla voidaan vaikuttaa puolijohdepohjaisen komponentin toimintaan? Puolijohdemateriaali Puolijohderakenne

3 Puolijohdemateriaalit
Taulukko 1. Piin ja piikarbidin fysikaalisia ominaisuuksia. [1] Si 4H-SiC 𝑾 𝒈 (𝒆𝑽) 1,12 3,26 𝝀 𝑾 𝒄𝒎−𝑲 1,5 4,9 𝑬 𝒄𝒓𝒊𝒕 𝑴𝑽 𝒄𝒎 0,25 2,5 Hinta (vuonna 2013) 0,1 €/ cm 2 10 €/ cm 2 Pii (Si): Yleisin puolijohdemateriaali Halpa tuottaa Teoreettiset suorituskyvyn rajat Matala jännitekestoisuus (6,5 kV:n Si-IGBT) Piikarbidi (SiC): Korkea jännitekestoisuus (15 kV:n SiC-MOSFET, 27,5 kV:n SiC-IGBT) Korkea lämmönsietokyky (+200 °C) Kallis ja hankala tuottaa

4 Puolijohdekomponenttien toiminta
Bipolaarinen toiminta: Kahdentyyppisiä varauksenkuljettajia: elektronit (-) ja elektroniaukot (+) Hyvät johtavuustilan ominaisuudet Suuremmat kytkentähäviöt PiN-diodit, IGBT Unipolaarinen toiminta: Vain yhdentyyppisiä varauksenkuljettajia: elektronit (-) Hyvät kytkentäominaisuudet Suuret johtavuustilan häviöt Schottky-diodit, MOSFET

5 Kuva 1. PiN-diodin rakenne [2].
Bipolaarinen Korkea jännitekestoisuus Pieni vuotovirta Korkeat kytkentähäviöt Johtavuustilan häviöt: 𝑃 𝐶 = 𝑈 𝑑 𝐼 𝑎𝑣𝑔 + 𝑟 𝑑 𝐼 𝑟𝑚𝑠 2 Kuva 1. PiN-diodin rakenne [2].

6 Johtavuustilan häviöt: 𝑃 𝐶 = 𝑈 𝑑 𝐼 𝑎𝑣𝑔 + 𝑟 𝑑 𝐼 𝑟𝑚𝑠 2
6,5 kV:n SiC-PiN-diodi Vuotovirrat: SiC-PiN: 1,8 µA Si-PiN: 1,8 mA Johtavuustilan häviöt: 𝑃 𝐶 = 𝑈 𝑑 𝐼 𝑎𝑣𝑔 + 𝑟 𝑑 𝐼 𝑟𝑚𝑠 2 Kuva 2. 6,5 kV:n ja 200 A:n Si-PiN-diodin (a) ja 6,5 kV:n ja 100 A:n SiC-PiN-diodin (b) I-V-käyrät poiskytkennässä [3]. Kuva 3. Si- ja SiC-PiN-diodien I/V-käyrät huoneenlämpötilassa [3].

7 600 V:n SiC-PiN-diodi boost-hakkurissa
Taulukko 2. Diodien häviöitä. [4] Taulukko 3. Boost-hakkurin hyötysuhteet. [4]

8 Schottky-diodi Unipolaarinen Matalat kytkentähäviöt
Matala jännitteenalenema: 1,8 – 3,2 V SiC-JBS-diodeja kaupallisesti saatavilla 600 V, 1200 V ja 1700 V:n jännitekestoisuuksilla Kuva 4. Schottky-diodin rakenne [2]. Kuva 5. JBS-diodin rakenne [2].

9 1700 V:n SiC-JBS-diodi Taulukko 4. Diodien häviöt. [5] Lämpötila (°C)
𝐄 𝐨𝐟𝐟 (mJ) IGBT 𝐄 𝐨𝒏 (mJ) 25 A, 1700 V 4H-SiC JBS Diode 25 0,25 0,14 2,47 75 0,13 2,45 125 0,26 175 40 A, 1800 V Si PiN Diode 8,21 6,38 8,33 11,0 9,02 9,30 14,7 12,4 10,7 Failed Kuva V:n SiC-Schottky-diodin ja 1800 V:n Si-PiN-diodin takavirtapiikit, kun di/dt = 400 A/µs [5].

10 Suurjännitteiset transistorit
MOSFET: MOSFET: Unipolaarinen Jänniteohjattu Matalat kytkentähäviöt IGBT: Bipolaarinen Yhdistää MOSFET:in nopean kytkennän ja bipolaarisen toiminnan Kuva 7. MOSFET:in rakenne [6]. IGBT: Kuva 8. IGBT:n rakenne [6].

11 𝐌𝐚𝐤𝐬𝐢𝐦𝐢𝐭𝐨𝐢𝐦𝐢𝐧𝐭𝐚𝐥ä𝐦𝐩ö𝐭𝐢𝐥𝐚
10 kV:n SiC-MOSFET Taulukko kV:n SiC-MOSFET:in ominaisuuksia. [7] 6,5 kV:n Si-IGBT 10 kV:n SiC-MOSFET 𝑬 𝒐𝒏 200 mJ 8,4 mJ 𝐄 𝐨𝐟𝐟 130 mJ 1,3 mJ 𝐫 𝐨𝐧 0,1–0,3 mΩ 0,26–0,78 mΩ 𝐌𝐚𝐤𝐬𝐢𝐦𝐢𝐭𝐨𝐢𝐦𝐢𝐧𝐭𝐚𝐥ä𝐦𝐩ö𝐭𝐢𝐥𝐚 125 °C 150 °C

12 𝐉ä𝐧𝐧𝐢𝐭𝐞𝐤𝐞𝐬𝐭𝐨𝐢𝐬𝐮𝐮𝐬 (𝟏𝟒𝟎 µm)
>12 kV:n SiC-IGBT Taulukko 6. IGBT:iden ominaisuuksia. [8] Kuva 9. P-tyypin IGBT:n I-V-käyrä [8]. n-IGBT p-IGBT 𝐉ä𝐧𝐧𝐢𝐭𝐞𝐤𝐞𝐬𝐭𝐨𝐢𝐬𝐮𝐮𝐬 (𝟏𝟒𝟎 µm) 12,5 kV 15 kV 𝐕𝐮𝐨𝐭𝐨𝐯𝐢𝐫𝐭𝐚 15 µA 0,6 µA 𝐫 𝐨𝐧 5,3 mΩ∙cm2 24 mΩ∙cm2 Kuva 10. N-tyypin IGBT:n I-V-käyrä [8].

13 15 kV:n Punch-through n-IGBT
Taulukko 7. puskurikerroksen vaikutus IGBT:n ominaisuuksiin. [8] Kuva 11. Punch-through IGBT:n rakenne [8]. 2 µm IGBT 5 µm IGBT 𝐄 𝐨𝐧 (8 kV, 5 A) 30,4 mJ 30,9 mJ 𝐄 𝒐𝒇𝒇 (8 kV, 5 A) 12,7 mJ 6,7 mJ 𝐉ä𝐧𝐧𝐢𝐭𝐭𝐞𝐞𝐧𝐚𝐥𝐞𝐧𝐞𝐦𝐚 6 V 7,2 V Kuva 12. Punch-through IGBT:n poiskytkentä [8].

14 Yhteenveto Puolijohdekomponentin toimintaan vaikuttaa:
Puolijohdemateriaali Puolijohderakenne Komponenttien toiminnan jako: Bipolaarinen Hyvät johtavuustilan ominaisuudet Suuret kytkentähäviöt PiN-diodi, IGBT Unipolaarinen Pienet kytkentähäviöt Huonommat johtavuustilan ominaisuudet Schottky-diodi, MOSFET

15 Lähteet [1] A.K. Agarwal, An overview of SiC power devices, ICPCES International Conference on Power, Control and Embedded Systems. [2] F. Dahlquist, Junction Barrier Schottky rectifiers in silicon carbide, Tekniska högsk, Stockholm, 2002. [3] A. Elasser, M.S. Agamy, J. Nasadoski, P.A. Losee, A.V. Bolotnikov, Z. Stum, R. Raju, L. Stevanovic, J. Mari, M. Menzel, B. Bastien, Static and Dynamic Characterization of 6.5-kV 100-A SiC Bipolar PiN Diode Modules, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 50, Iss. 1, 2014, pp. 609–619. [4] A. Elasser, M.H. Kheraluwala, M. Ghezzo, R.L. Steigerwald, N.A. Evers, J. Kretchmer, T.P. Chow, A comparative evaluation of new silicon carbide diodes and state-of-the-art silicon diodes for power electronic applications, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 39, Iss. 4, 2003, pp. 915–921. [5] B.A. Hull, J. Henning, C. Jonas, R. Callanan, A. Olmedo, R. Sousa, J.M. Solovey, 1700V 4H-SiC MOSFETs and Schottky diodes for next generation power conversion applications, 2011 Twenty-Sixth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1042–1048. [6] R.W.1. Erickson, Fundamentals of power electronics, United States, 1997. [7] V. Pala, E.V. Brunt, L. Cheng, M. O'Loughlin, J. Richmond, A. Burk, S.T. Allen, D. Grider, J.W. Palmour, C.J. Scozzie, 10 kV and 15 kV silicon carbide power MOSFETs for next-generation energy conversion and transmission systems, 2014 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), IEEE, pp. 449–454. [8] S. Ryu, C. Capell, C. Jonas, L. Cheng, M. O'Loughlin, A. Burk, A. Agarwal, J. Palmour, A. Hefner, Ultra high voltage (>12 kV), high performance 4H-SiC IGBTs, Proceedings of the International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, pp