מפעם לפעם, מגזר מסוים בתעשיית האלקטרוניקה משיגה התקדמות טכנולוגית משמעותית בזכות שנים של מחקר וחדשנות. לאחרונה היה תורה של מגזר אלקטרוניקת ההספק (power electronics) ליהנות מחידושים בטכנולוגיית תהליכי המוליכים למחצה, שהובילו להתפתחויות במכשירי מרווח פס רחב (WBG – wide band gap). במשך עשרות שנים, סיליקון (צורן) היה החומר הדומיננטי שנבחר לייצור מוליכים למחצה. ואולם, מחקר שנערך על חומרי מוליכים למחצה מורכבים אחרים, ובפרט סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN), העניק חיות חדשה ליישומי המרת הספק והנעת מנועים עם מכשירי מוליכים למחצה יעילים יותר, קטנים יותר וחזקים יותר המביאים שיפור משמעותי בביצועים.

בפיזיקה של המוליכים למחצה, מרווח פס הנו טווח אנרגיה במוצק, בין פס ערכות (valence band) לפס הולכה, שאין בו מצבים חשמליים. מעבר על פני המרווח דורש מהאלקטרון להיות בעל אנרגיה מספקת, הנמדדת ביחידות של אלקרטון וולט (eV), כדי להגיע להולכה ולחולל זרם חשמלי. חומרים בעלי תכונות מרווח פס נמוכות יחסית הם בדרך כלל מוליכים למחצה, ואלה בעלי מרווח פס גבוה הם מבודדים. לדוגמה, סיליקון הוא חומר בעל מאפיין מרווח פס של 1.1 אלקטרון וולט, בעוד של-GaN וסיליקון הקרביד ערכי מרווח פס דומים, של 3.2 עד 3.4 אלקטרון וולט. עם מרווח פס לפחות פי שלוש מזה של סיליקון, מוליכים למחצה להספק כגון MOSFET ו-JFET המיוצרים מחומרי מתאימים יותר ליישומי מתח גבוה כגון דרייברים למנועים ומעגלי מיתוג. ערכי מרווח פס גבוהים גורמים לזרמי זליגה נמוכים יותר, ומדד מהירות רוויית אלקטרונים גבוה מאפשרת פעולה בתדירויות מיתוג גבוהות.

הבדלים חשמליים אחרים בין סיליקון חומרי WBG סיליקון הקרביד ו-GaN כוללים מתח פריצה גבוה יותר באופן משמעותי, ודרגה גבוהה של ניידות חשמלית. מתח הפריצה של סיליקון הוא כ-0.3 מגה-וולט/ס”מ בהשוואה ל-3.5 מגה-וולט/ס”מ עבור סיליקון הקרביד, ו-3.3 מגה-וולט/ס”מ עבור GaN. הדבר ממחיש כי מכשירי מרווח פס רחב מציגים מאפיין מתח פריצה של לפחות פי עשר טוב יותר לעומת הסיליקון.

הניידות החשמלית (ניידות אלקטרונים), הנה גורם המצביע על מהירות תנועת האלקטרונים דרך המוליך למחצה המורכב, ומדגיש את ההבדלים בין סיליקון הקרביד ל-GaN, והיישומים שלהם הם מתאימים. GaN מציג ניידות חשמלית של 2,000 סמ”ר/וולט*שנייה לעומת 1,500 סמ”ר/וולט*שנייה עבור סיליקון. ואולם, סיליקון הקרביד הוא בעל ניידות איטית הרבה יותר, המתקרבת ל-650 סמ”ר/וולט*שנייה, ובשל כך הוא פחות מתאים ליישומי מיתוג במהירות גבוהה. לעומת זאת, הניידות החשמלית של גליום הקרביד מהירה פי שלוש לעומת סיליקון הקרביד, ולכן הוא מתאים לעבודה בתדירויות מיתוג גבוהות יותר.

איור 1: השוואת התכונות החשמליות והפיזיקליות של חומרי
מרווח הפס הגבוה SiC ו- GaN לסיליקון. )מקור: מאוזר(

היתרונות הטכניים של מכשירי מרווח פס רחב

מאפיין פיזיקלי נוסף המשפיע על המרת הספק גבוהה ויישומי הנעת מנועים הוא מוליכות חום (מוליכות תרמית). חובה לפנות את החום שנוצר בתוך המכשיר החוצה ביעילות המרבית. מדד המוליכות התרמית מדגיש את המידה שבה החומר יעיל בהולכת החום דרך עצמו. במקרה הזה, כושר הולכת החום של GaN נופל במעט מזה של סיליקון, אך יעילות הולכת החום של SiC טוב פי שלוש, מה שהופך אותו לאידאלי עבור יישומי טמפרטורות גבוהות.

איור 1: השוואת התכונות החשמליות והפיזיקליות של חומרי מרווח הפס הגבוה SiC ו-GaN לסיליקון. (מקור: מאוזר)

מאפיין חיוני נוסף של מוליכים למחצה מורכבים בעלי מרווח פס רחב הוא התנגדות להולכה (Rds(on) נמוכה באופן משמעותי לעומת MOSFETs המבוססים על סיליקון, מה שמוביל לצמצום משמעותי של הפסדי המיתוג האופייניים ליישומי המרת הספק. הפסדי מיתוג קטנים אחרים מתרחשים ברכיבים הפסיביים הנלווים, המשמשים בתוך ממירי הספק כגון משרנים (סלילי השראה), שנאים, וקבלים.

בנוסף, כל המבנה הפיזי של מכשירי סיליקון הקרביד וגרניום ניטריד קטן יותר בממדים ובמשקל לעומת מקביליהם העשויים מסיליקון, מה שמאפשר מוליכים למחצה קומפקטיים וקלים יותר. ממדי התבנית הקטנים יותר מצמצמים את השפעות הקיבול הפנימי של המכשירים, ומאפשרים מהירויות מיתוג גבוהות יותר. לדוגמה, אזור התבנית של MOSFET מבוסס סיליקון גדול פי חמש לערך מזה של MOSFET מבוסס סיליקון קרביד עבור אותו טווח מתחי עבודה.

איור 2: לוח ההתייחסות Infineon REF_62W_FLY_1700V_SiC מאופיין
במכשיר Infineon CoolSiC MOSFET במתח 1,700 וולט )מקור: .)Infineon

עם היתרונות שצוינו לעיל, מכשירי מוליכים למחצה בעלי מרווח פס רחב הם אידאליים עבור יישומי המרת הספק והנעת מנועים. היתרונות קשורים זה בזה, ויחד תורמים ליישומי קצה קומפקטיים יותר, חזקים יותר וחסכניים יותר באנרגיה. ההבדלים בין GaN ו-SiC מכתיבים גם איזה חומר WBG מתאים עבור יישום מסוים. לדוגמה, SiCמתאים לשימוש במערכות של טמפרטורות גבוהות, בזכות המוליכות התרמית הטובה יותר.

היכולת להשתמש בתדירויות מיתוג גבוהות יותר עם מעגלים מבוססי GaN ו-SiC מובילה לערכי השראה וקיבול קטנים יותר, עם חיסכון נוסף בשטחי מעגלים מודפסים (PCB) ועלויות חומרים (BOM).

המרת הספק מרווח פס רחב הלכה למעשה

מכשירים בעלי מרווח פס רחב זמינים במידות אריזה, טכנולוגיות תהליך, ודירוגי מתח שונים, מספקים שונים כגון Infineon, STMicro, ו-Rohm. בנוסף למכשירים עצמם, ועדות הערכה ותכנוני התייחסות מסייעים לזירוז בניית אבי הטיפוס ופיתוח מוצר סופי.

Infineon מציעה הן מכשירי SiC והן מכשירי GaN בתיקי מוצרי ה-CoolSiC וה-CoolGaN שלהם.

דוגמה למכשיר CoolSiC הוא  SiC Trench MOSFET מתח 1,700 וולט. המכשיר פותח לשימוש בטופולוגיות ממיר פלייבק (flyback); הוא בעל הפסדי מיתוג נמוכים מאוד, ותואם לרוב המעגלים המשולבים 12 וולט של דרייברי הבקרים. ה-MOSFET ארוז בפורמט TO-263 7L להרכבה על משטח; מרחק הזחילה בין הניקוז למקור 7 מ”מ, ומבטיח שיוכל בקלות לעמוד בתקן הבטיחות של המוצר הסופי. בנוסף, פין מקור דרייבר נפרד מסייע בצמצום תנודת השער (gate ringing) הנגרמת בדרך כלל על ידי השראה פרזיטית של לולאת השער.

מכשיר ה-Infineon CoolSiC MOSFET הנ”ל מופיע בלוח ההתייחסות REF_62_FLY_1700_SiC, המסייע למהנדסים שרוצים  לפתח מקור הספק נלווה תוך שימוש בטופולוגיית ממיר פלייבק תלת פזי בעל קצה יחיד  – ראה איור 2.

איור 2: לוח ההתייחסות Infineon REF_62W_FLY_1700V_SiC מאופיין במכשיר  Infineon CoolSiC MOSFET במתח 1,700 וולט (מקור: Infineon).

בהפעלה אופיינית, לוח ההתייחסות (רפרנס) פועל במצב מעין תהודתי (QRM) כדי לצמצם את השפעת הרעש האלקטרומגנטי למינימום. בעת פעולה בעומסים של למעלה מ-30% מהעצמה המלאה, הממיר יכול באופן אופציונלי לעבור לשימוש במצב הולכה מקוטעת   (DCM) שעבורה תדירות ההפעלה המקסימלית נקבעה ל-130 קילו הרץ. הלוח מספק שולשה מתחי יציאה נומינליים: +15 וולט, -15 וולט, +24 וולט.

איור 3: לוח הדגמה Infineon CoolGaN 2,500 ואט מוט טוטם גשר מלא
PFC ז”ח/ז”י לוח הדגמה ממיר. )מקור: )Infineon

מאפיינים נוספים של לוח ההתייחסות כוללים הגנת מתח יתר ביציאה הניתנת לכוונון, הגנת זרם יתר, התנעה מחדש אוטומטית מתנאים של טמפרטורת יתר, והגנת מתח יתר ומתח חסר על מתח הכניסה.

קו המוצרים CoolGaN מבית Infineon כולל מצב השבחה 600 וולט, טרנזיסטור מיתוג סופר מהיר כבוי בדרך כלל, מדגםIGOT60R070D1.

המכשיר בעל דרגת התנגדות מקסימלית Rds(on) של 70 מילי אוהם (mΩ) ומתאים לשימוש  במעגלי תיקון מקדם הספק (PFC) חצי גשר מוט טוטם תדר גבוה. עם מאפייני מטען שער ומטען יציאה נמוכים, הטרנזיסטור אידאלי עבור יישומים כגון תעשייה, טלקומוניקציה, ומרכזי נתונים.

לוח הדגמה PFC מוט טוטם גשר מלא 2,500 ואט  – ראה איור 3 – המשתמש במכשיר CoolGaN IGOT60R070D1 מדגיש את היתרונות של שימוש בטכנולוגיית GaN כדי להשיג יעילות אנרגטית בהמרה של עד 99.2% ביישומים שבהם היעילות היא קריטית. מעגל התיקון PFC מוט טוטם משתמש במפסקי מוליכים למחצה במקום ממיר גשר או דיודות יחידות, כדי ליצור מעגל המרה ז”ח/ז”י יעיל ביותר. מעגל הבקרה משתמש בתדירות מיתוג עם אפנון רוחב פולס (PWM) קבוע של 65 קילו הרץ ולוח משולב (IC) בקר בעל הולכה רציפה.

איור 3: לוח הדגמה Infineon CoolGaN 2,500 ואט מוט טוטם גשר מלא PFC ז”ח/ז”י לוח הדגמה ממיר. (מקור: Infineon)

קו המוצרים של STMicroelectronics כולל MOSFETs מקרביד הסיליקון במתחים של 650 וולט ו-1,200 וולט – ראה איור 4. דוגמאות למוצרים כוללות את ה- SCTW70N120G2V ואת ה- SCTW100N65G.

איור 4: תיק STMicroelectronics של MOSFETs מקרביד הסיליקון. (מקור: STMicroelectronics)

דגם SCTW70N120G2V הנו מכשיר 1,200 וולט שנבנה באריזת HiP247, בעל התנגדות Rds(on) של 21 מגה אוהם, ויכולת לעמוד בזרם ניקוז 91 אמפר. ה-MOSFET משלב דיודת גוף מהיר וחזק, והנו בעל מטען שער וקיבולי כניסה נמוכים. הוא מתאים עבור מגוון יישומי המרה ז”י-ז”י, הטענה, ומערכות אנרגיה מתחדשת.

רכיב SiC MOSFET אחר הוא דגם SCTW100N65G, בעל הסמכת כלי רכב AEC-Q101; מתח 650 וולט, 100 אמפר; מוליך למחצה בעל התנגדות Rds(on) של 20 מילי אוהם. שני רכיבי ה-STMicroelectronics MOSFET האלה מתאימים ליישומי טמפרטורות גבוהות, עם צומת עמיד בחום של 200 מעלות צלזיוס.

חברת ROHM Semiconductor מציעה MOSFETs בעלי עצמה גבוהה כגון דגם SCT3033KLGC11. הרכיב בעל נתונים 1,200 וולט, 95 אמפר, התנגדות Rds(on) של 22 מילי אוהם, וטמפרטורת הפעלה מקסימלית של הצומת 175 מעלות צלזיוס. היישומים שלו כוללים מגוון רחב של תכנוני המרת הספק, מתמרי אנרגיה סולרית, ובקרת מנועים חשמליים.

דוגמת המוצר האחרונה מגיעה מחברת GaN Systems עם סדרת ה-GS6100x שלה של טרנזיסטורי שיפור GaN בני 100 וולט . עם שימוש בשיטת קירור הצד התחתון, רכיב דגם GS61004B הוא בעל זרם Ids(max) של 38 אמפר, התנגדות Rds(on) של 18 מילי אוהם, ותדירויות מיתוג גבוהות של למעלה מ- 10 מגה הרץ. לוח הערכה מדגם GS61004B-EVB-CD משלב שני טרנזיסטורי GS61004B בגשר מלא.

איור 4: תיק STMicroelectronics של MOSFETs
מקרביד הסיליקון. )מקור: )STMicroelectronics

סיכום

מוליכים למחצה במרווח פס רחב מבשרים על רמות חדשות של יעילות אנרגטית, ותדירויות מיתוג וטמפרטורות עבודה גבוהות יותר עבור מעגלי המרת הספק והינע של מנועים. רכיבי MOSFET וטרנזיסטורים העשויים מקרביד הסיליקון וגליום ניטריד, יחד עם משאבי תכנון משלימים, מוצעים כעת למהנדסים כדי לשלב אותם בתכנוני הדור הבא.