Перспективные и традиционные транзисторные ключи в силовой электронике

О потенциале карбида кремния (SiC) как полупроводника было известно еще в прошлом веке, но лишь в 2011 году был выпущен первый коммерческий SiC MOSFET (металл-оксидный полупроводник, МОП-транзистор). Потребовалось более десяти лет, чтобы такие электронные компоненты начали выпускать другие компании. Слабая конкуренция между производителями, ограниченные предложения и относительно высокая стоимость являлись препятствиями для широкого использования карбид-кремниевых транзисторов. К тому же уже четверть века существовали биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT), достойно выполняя свои задачи силовых ключей в высоковольтных приложениях (напряжением более 600 В), где не могли справиться обычные металл-оксидные. Их применение было изучено и отлажено, что не стимулировало разработчиков и производителей тратить ресурсы на новые решения. Но современные приложения и изменения на рынке меняют этот статус-кво.

Требования к высокой эффективности, надежности и компактности устройств силовой электроники, а также появление на рынке азиатских производителей, чьи темпы развития превосходят европейских и американских конкурентов, ускорили снижение цен на карбид-кремниевые полупроводники. Это позволяет SiC-транзисторам уверенно занимать свою нишу, объединяя лучшие качества обычных MOSFET и IGBT:

• Высокое напряжение (существуют модели с максимальным напряжением «сток-исток» 3.3 кВ);
• Переключение на высокой частоте (в десятки раз большей чем доступно IGBT);
• Малые потери проводимости и стабильность при высоких температурах;
• Экономичность управления.

Сравнить некоторые базовые характеристики IGBT и SiC MOSFET с напряжением коммутации 1.2 кВ можно в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Базовые параметры IGBT

Таблица 2. Базовые параметры SiC MOSFET

Однако при всех своих достоинствах карбид-кремниевые транзисторы не скоро (и, возможно, не полностью) вытеснят биполярные с изолированным затвором. Во-первых, пока их стоимость относительно высока, и существует огромная область приложений, где применение IGBT будет экономически целесообразнее. Во-вторых, развитие полупроводниковых приборов охватывает все направления, в том числе и биполярную технологию: современные IGBT могут работать в цепях напряжением 6.5 кВ, что в два раза превышает возможности SiC. Их развитие еще не остановлено и полное исчезновение (как когда-то германиевых компонентов) вряд ли ожидается даже в долгосрочной перспективе. Более того, вероятно появление на рынке еще более высоковольтных IGBT на основе карбид-кремния.

Сегодня области применения транзисторов можно условно разделить следующим образом:

• IGBT:
  • Промышленные электроприводы высокой надежности, а также электроприводы бытового и прочего оборудования с питанием от электросети;
  • Аппараты для электросварки и индукционного нагрева;
  • UPS (системы бесперебойного питания);
• SiC MOSFET:
  • Импульсные преобразователи энергии, в том числе в солнечных инверторах, источники питания высоких мощности и КПД, драйверы моторов электротранспорта;
  • Высокочастотная электросварка.

В ближайшие 5…10 лет стоимость производства карбид-кремниевых полупроводников будет снижаться, в результате чего баланс сместится в их сторону, отодвигая IGBT в область приложений высокой мощности (рис. 1). Это достаточно большой срок. Вполне возможно, что свои права в этой нише заявят новые гибридные технологии. ДКО Электронщик готов предложить самые актуальные решения с максимальной оперативностью поставок.

Рис. 1. Области силовой электроники, занимаемые различными технологиями

Производители: ANBON, ATELECT, Inchange Semiconductor, NCE POWER SEMICONDUCTOR, STARPWR, Yangjie

Разделы: Полевые транзисторы, IGBT транзисторы

Опубликовано: 11.06.2025