O que é um MOSFET de Carbeto de Silício

16 de março de 2023 0 Comentários Leitura: 13 min

Carboneto de silício, SiC MOSFETs estão sendo amplamente utilizados em muitas aplicações de energia, onde fornecem um nível de desempenho significativamente melhorado em relação a outras tecnologias disponíveis.

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Nosso tutoral de FETs, Transistores de Efeito de Campo, inclui:

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O carboneto de silício é um semicondutor que está sendo usado em um número crescente de componentes eletrônicos. Um bom exemplo disso são os MOSFETs de carboneto de silício, muitas vezes referidos apenas como FETs de carboneto de silício.

Esses carboneto de silício, SiC MOSFETs ou SiC FETs fornecem algumas melhorias úteis no desempenho em relação aos seus componentes eletrônicos equivalentes ao silício.

Contorno de um carboneto de silício, SiC MOSFET da Wolfspeed

Em essência, esses MOSFETs SiC fornecem uma tensão de bloqueio mais alta, menor resistência de estado e maior condutividade térmica do que suas contrapartes de silício.

Isso significa que eles costumam usar com bons resultados em projetos de circuitos eletrônicos para comutação de energia: fontes de alimentação comutadas, conversores de tensão: conversores de aumento e redução e muitos outros projetos de circuitos eletrônicos.

Embora inicialmente houvesse uma penalidade de preço pelo uso desses dispositivos, eles agora são tão amplamente utilizados e os processos de fabricação estão tão bem estabelecidos que há pouca diferença, e qualquer aumento de custo associado a esses componentes eletrônicos pode normalmente ser mais do que compensado por causa de os benefícios resultantes em circuitos menores, menor dissipação de calor e similares.

Sumário

O que é carboneto de silício

O carboneto de silício pode não ser normalmente associado a dispositivos semicondutores, mas surpreendentemente tem sido usado por muitos anos. Nos dias de aparelhos de rádio de cristal na década de 1920 e até um pouco antes em alguns casos, carboneto de silício ou carborundum, como era conhecido, era usado com detectores de rádio Cat’s Whisker. Estes então se tornaram os primeiros diodos de carbono de silício ou SiC amplamente utilizados.

O carboneto de silício é produzido em alta temperatura combinando sílica – uma forma de silício com carbono. Isso é refinado e depois processado para fornecer os espaços em branco necessários nos quais os dispositivos de carboneto de silício são formados. Esses componentes eletrônicos podem ser diodos SiC, SiC FETs ou SiC MOSFETs, etc.

O carboneto de silício agora está sendo amplamente utilizado como semicondutor para muitos dispositivos de energia, por causa de seus atributos particulares. Um dos principais é a força do campo elétrico de ruptura muito alta e isso permite a fabricação de dispositivos semicondutores de alta tensão e, em particular, MOSFETs de SiC.

O carboneto de silício também possui vários outros atributos importantes, o que significa que ele funciona particularmente bem dentro dos MOSFETs.

Nota sobre carboneto de silício:

O carboneto de silício é um material conhecido por sua dureza, mas também está sendo usado como semicondutor, fornecendo dispositivos capazes de oferecer novos níveis de desempenho, especialmente em projetos de eletrônica de potência.

Leia mais sobre Carbeto de Silício.

Adoção de SiC MOSFETs

A tecnologia de carboneto de silício não encontrou aceitação instantânea como muitas outras novas invenções semelhantes. Levou tempo para que a tecnologia SiC fosse desenvolvida e então adotada.

Embora o carboneto de silício tenha sido usado na eletrônica por muitos anos – os detectores de rádio de cristal na década de 1920 e até mesmo antes usavam carborundum, que é o carboneto de silício como o “cristal” para detectar sinais de rádio.

De fato, foi usando um desses cristais que HJ Round, o engenheiro britânico, observou pela primeira vez o efeito do diodo emissor de luz, embora não o entendesse.

Conseqüentemente, o carboneto de silício era conhecido por ser um semicondutor, mas as técnicas de processamento necessárias levaram algum tempo para serem desenvolvidas. O carboneto de silício não é nem de longe tão fácil de processar quanto o silício.

Para que a tecnologia se tornasse viável, era preciso não apenas funcionar, mas os custos necessários para torná-la competitiva.

Foram os custos de fabricação que limitaram a adoção da tecnologia SiC por muitos anos. Os custos do substrato eram muito maiores do que os de dispositivos de silício equivalentes. As características básicas do próprio material e a alta densidade de defeitos fizeram com que os MOSFETs de SiC e os diodos de SiC não fossem viáveis por muitos anos.

Embora tenha levado vários anos para desenvolver a tecnologia SiC até o nível necessário para uma comercialização viável, o processamento de SiC para componentes eletrônicos está agora no estado em que os níveis de densidade de defeitos foram reduzidos e os custos de processamento diminuíram.

Assim, foi em janeiro de 2011 que Cree introduziu o primeiro SiC MOSFET – o dispositivo conhecido como CMF20120D foi especificado em 1200V, tinha 80 mΩ de resistência ON e estava alojado no pacote TO-247.

Este lançamento marcante significou que um SiC MOSFET viável estava disponível, mesmo que custasse mais do que um IGBT comparável. No entanto, seu desempenho superior em termos de comutação mais rápida, maior eficiência e melhor desempenho térmico fez com que muitas empresas o usassem em seus novos projetos de circuitos eletrônicos.

O desenvolvimento da tecnologia SiC avançou e muitas outras empresas introduziram MOSFETs usando carboneto de silício como semicondutor e dispositivos da próxima geração também foram desenvolvidos, fornecendo um nível muito mais alto de desempenho.

Vantagens dos MOSFETs de SiC

O uso de MOSFETs de carboneto de silício está bem estabelecido, particularmente na área de eletrônica de potência, onde as características de comutação desses componentes eletrônicos significam que eles são particularmente adequados para muitos novos projetos de circuitos eletrônicos.

Alguns dos principais atributos dos MOSFETs SiC decorrentes do uso de carboneto de silício em vez de silício incluem:

Quebra de alta tensão: O carboneto de silício tem uma força de quebra crítica que é 10 vezes maior do que o silício. Isso significa que MOSFETs de SiC menores e de maior tensão podem ser fabricados. Alguns MOSFETs SiC têm tensões operacionais bem acima de 1,5 kV, o que é um valor bem acima do que pode ser alcançado usando tecnologias de silício.A tensão de ruptura mais alta permite que as altas tensões de ruptura sejam alcançadas, ao mesmo tempo em que usam camadas de deriva mais finas.
Densidade de corrente: os MOSFETs de SiC fornecem uma densidade de corrente muito maior do que os MOSFETs de silício.
Operação em alta temperatura: MOSFETs de carboneto de silício podem operar em temperaturas muito mais altas do que seus equivalentes de silício. Isso significa que eles podem utilizar a densidade de corrente mais alta que o SiC oferece sem a necessidade de estar ciente da temperatura real do dispositivo.
Baixas perdas de comutação: a tecnologia de carboneto de silício permite que esses MOSFETs tenham uma resistência ON mais baixa. Isso resulta em perdas resistivas menores quando o dispositivo está ligado.Além disso, as velocidades de comutação mais rápidas que podem ser alcançadas significam que há uma transição mais rápida entre os estados ON e OFF, o que novamente resulta em níveis de perda mais baixos.A perda mais baixa pode ser crucial em projetos de circuitos eletrônicos, como conversores de tensão, fontes de alimentação comutadas e similares.
Altas frequências de comutação: Um dos parâmetros que pode ser particularmente importante com os MOSFETs de carboneto de silício são as velocidades de comutação mais altas que podem ser alcançadas. Isso permite que frequências mais altas sejam usadas e isso reflete na necessidade de componentes indutivos e capacitivos menores. Isso não apenas reduz o tamanho do projeto geral do circuito eletrônico, mas também reduz os custos, pois os componentes eletrônicos menores custam menos.

Considerações de projeto de circuito SiC MOSFET

Agora, os MOSFETs SiC tendem a dominar várias áreas do projeto de circuitos eletrônicos, especialmente em várias áreas do projeto eletrônico de fontes de alimentação.

A operação fundamental dos SiC FETs é muito semelhante à dos MOSFETs baseados em silício mais tradicionais, mas há algumas considerações de projeto que precisam ser levadas em consideração.

Em muitos casos o circuito pode precisar de algumas alterações, embora alguns outros aspectos possam exigir um pouco mais de atenção para garantir o correto funcionamento do projeto do circuito eletrônico.

Requisitos da unidade de porta: Uma das principais áreas em que os MOSFETs de SiC diferem de suas contrapartes de silício é com os requisitos de tensão da porta.Esses dispositivos requerem uma tensão gate-to-source mais alta para atingir a menor tensão de saturação VDS em altos níveis de corrente de dreno. A maioria dos MOSFETs de silício atinge baixa saturação VDS de cerca de 8 V a 10 V entre o portão e a fonte. No entanto, os MOSFETs de SiC geralmente requerem VGS de 15 V a 20 V para obter baixa saturação de VDS. Isso significa que o projeto do circuito eletrônico precisa ser adaptado para atender a isso.ICs de driver de porta SiC MOSFET específicos estão disponíveis para fornecer os sinais de porta necessários e nas tensões corretas. Esta é uma maneira ideal de garantir que o gate drive necessário seja desenvolvido para qualquer projeto de circuito eletrônico SiC FET.
Isolamento entre entrada e saída: Como os MOSFETs SiC são usados para muitas aplicações de comutação de energia, isso significa que é necessário ter transformadores de isolamento entre a entrada e a saída. Isso é realizado na entrada onde os sinais de comutação podem passar por um transformador.
Interferência eletromagnética, EMI: A comutação muito mais rápida de SiC MOSFETs quando comparada a outros dispositivos – IGBT, MOSFETs de potência, etc., significa que frequências muito mais altas estão presentes na comutação. Essas altas frequências podem causar interferência eletromagnética. Como resultado, isso deve ser considerado no projeto do circuito eletrônico de qualquer sistema que use esses componentes eletrônicos.
Pino de origem adicional: Embora muitos SiC MOSFETs tenham três conexões como qualquer outro MOSFET, alguns têm uma conexão extra que pode ser confusa à primeira vista.

Conexões para um típico SiC MOSFET mostrando o Kelvin sourcepin

Como pode ser visto no diagrama, o portão e o dreno estão presentes normalmente, mas há duas conexões para a fonte. Um é rotulado como fonte do driver e o outro como fonte de energia. O pino de fonte adicional associado ao circuito de entrada às vezes é chamado de pino de fonte Kelvin.

A razão para isso é manter o circuito de entrada o mais isolado possível da saída. Mesmo comprimentos curtos de cabos podem apresentar problemas significativos devido aos níveis de corrente e às velocidades de comutação que são comuns nesses projetos.

Se o acionador do portão for referenciado ao mesmo terra que transporta a corrente de carga, mesmo pequenos valores de resistência e indutância em série podem causar picos de comutação na entrada. Separá-los fornecerá algum grau de isolamento adicional. Em alguns casos, é um pouco como separar os fios de carga e detecção em uma fonte de alimentação de alta corrente.

O pino adicional, conhecido como pino de fonte Kelvin, é colocado o mais próximo possível da fonte na matriz do semicondutor e a conexão extraída separadamente para reduzir quaisquer efeitos de indutância e resistência parasitas que possam causar problemas com o circuito do inversor.

Variação de R _DS(ON) com a temperatura: Um fator significativo com SiC MOSFETs é o baixo valor de R_DS(ON) e o fato de que ele muda por um fato que pode ser tão pequeno quanto 1,3 a 1,4 na faixa de temperatura operacional. Por outro lado, dispositivos de silício e mesmo GaN podem exibir valores deR_{DS(ON) que podem dobrar ou triplicar quando as temperaturas sobem de 25°C até o máximo que pode ser em torno de 140°C.}Mas verifique as folhas de dados para números exatos.
Especificação High V _DS : As altas tensões de ruptura associadas aos SiC FETs podem trazer muitos dividendos no projeto de circuitos eletrônicos de vários itens, especialmente para aplicações de fonte de alimentação: fontes de alimentação comutadas, conversores de tensão e controle de energia, etc.Embora os IGBTs sejam normalmente classificados em torno de 1,2 kV e muitos SiC MOSFETs possam ter uma classificação semelhante (embora muitos tenham classificações VDS ainda mais altas ₎ , a quebra final real do componente eletrônico de carboneto de silício será muito maior, permitindo um grau muito alto de redução para ser incorporado ao circuito, o que não seria possível com um IGBT ou MOSFET de potência padrão. Os componentes eletrônicos SiC são capazes de suportar níveis muito mais altos de transientes, e estes estão presentes em todos os sistemas de energia de tempos em tempos.
Tempo de recuperação reversa: O tempo de recuperação reversa é um aspecto importante dos circuitos de comutação, especialmente aqueles usados em projetos simétricos. Projetos de circuitos eletrônicos para conversores de tensão, incluindo circuitos buck e boost, bem como circuitos de correção de energia. Os MOSFETs de SiC têm um tempo de recuperação reverso de dez, medido em dezenas de nanossegundos, enquanto os MOSFETs de silício de alta voltagem equivalentes podem ter tempos de cerca de três quartos de milissegundo. O rápido tempo de recuperação reversa dos MOSFETs SiC pode ser utilizado para aumentar a velocidade de operação, por exemplo, a velocidade de comutação de uma fonte de alimentação comutada, etc. enquanto reduz significativamente os custos dos componentes eletrônicos nesses projetos de circuito.

Módulos de comutação SiC

Além dos próprios MOSFETs SiC básicos, várias empresas fornecem módulos de comutação SiC. Esses módulos SiC fornecem todos os circuitos necessários para fornecer a comutação necessária de uma entrada de baixo nível.

Esses módulos SiC garantirão que os requisitos de acionamento corretos para o MOSFET sejam fornecidos, bem como observarão os circuitos de amortecimento e a filtragem EMI que serão necessários no projeto geral do circuito eletrônico.

Esses módulos SiC são ideais para muitos projetos de circuitos onde um módulo efetivo é necessário e níveis de drive padrão estão disponíveis, etc. Eles podem fornecer uma solução muito econômica porque reduzem o tempo de projeto e as economias de escala de produção de um grande número de módulos para uma variedade de clientes, eles geralmente oferecem um custo menor de material ou componente eletrônico do que se um comutador tivesse sido projetado internamente para o sistema específico

Os MOSFETs de SiC e, em geral, a tecnologia de carboneto de silício permitiram que o desempenho de semicondutores para muitas aplicações avançasse em quase um salto quântico. O desempenho dos MOSFETs de carboneto de silício oferece algumas melhorias significativas quando comparado às tecnologias existentes, como MOSFETs e IGBTs de silício.

Embora seja sempre bom olhar para todas as alternativas, incluindo componentes eletrônicos como MOSFETs de potência (VMOS, HEXFETs, UMOS, etc) e IGBTs, os MOSFETs SiC são capazes de fornecer uma solução ideal para muitos novos projetos de circuitos eletrônicos.

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