Badania właściwości tranzystora Z-FET MOSFET wykonanego z węglika krzemu CMF20120D firmy CREE

Badania rezystancji przewodzenia R_D(ON) przeprowadzone zostały metodą techniczną. Pomiar spadku napięcia na załączonym tranzystorze według rysunku 10, wyznaczono przy prądzie ze stabilizowanego zasilacza o ograniczeniu prądowym równym 10 amperów. W tym układzie przebadane zostały trzy tranzystory w celu sprawdzenia parametrów podanych przez producenta. Każdy badany tranzystor posiadał nadrukowany indeks cyfrowy, co zapewniło identyfikację przyrządów w trakcie badań. W tej również konfiguracji przeprowadzono badania termiczne wpływu temperatury na wartość rezystancji poszczególnych tranzystorów, a charakterystyki zamieszczono na rysunku 11.

Rys. 10. Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia rezystancji przewodzenia R_D(ON)

Tranzystor był zamocowany do płytki miedzianej o wymiarach 150x100x2 mm służącej jako radiator a pomiaru temperatury dokonywano za pomocą termopary i miernika uniwersalnego ALATRON MU-25G. Termoparę umieszczono na radiatorze w pobliżu obudowy tranzystora. Wzrost temperatury radiatora wynikał z mocy jaką tracił tranzystor w wyniku przepływu prądu o wartości 10 amperów (ograniczenie prądowe zasilacza stabilizowanego).

Rys. 11. Wykres rezystancji R_D(ON) badanych tranzystorów w funkcji temperatury radiatora dla przepływu prądu o wartości 10 amperów

Jak widać (rys. 11) tylko jeden tranzystor (Tr_8) miał zbliżoną rezystancję przewodzenia do deklarowanej przez producenta wynoszącą 80mΩ. Producent deklaruje również, że maksymalna rezystancja przewodzenia nie przekroczy 200mΩ w całym zakresie temperaturowym (do 135^oC – temperatura złącza).

Rys. 12. Przebieg oscyloskopowy „ON-OFF” napięcia U_DS i prądu I_D dla opornika bramkowego R_G=5Ω i napięcia blokowania 600V

Rys. 13. Przebieg oscyloskopowy „ON-OFF” napięcia U_DS, prądu I_D i napięcia U_GS z przed opornika bramkowego R_G=5Ω.

Na rysunkach 12 i 13 przedstawiono przebiegii zarejestrowane podczas badań, obrazujące kształt napięcia i prądu tranzystora w stanach dynamicznych i stanie statycznym. Rysunek. 13 przedstawia przebieg napięcia bramkowego U_GS na którym widać czasy opóźnienia włączenia i wyłączenia tranzystora, które są mniejsze od 50ns, co potwierdza dane producenta.

Podsumowanie

W wyniku przeprowadzonych badań i przeglądu stanu wiedzy na temat węglika krzemu (SiC) oceniono, że stosowanie go na szeroką skalę w obszarze elektroniki jest uzasadnione. Potwierdzono krótkie czasy łączeń  tranzystora SiC 30-40ns, oraz małe straty energii w tych procesach (E_ON 400µJ, E_OFF 250 µJ) co predysponuje te przyrządy do stosowania w układach elektronicznych i energoelektronicznych przekształcających energię elektryczną z wysoką częstotliwością [6], [7]. Dzięki stosowaniu elementów SiC w układach tego rodzaju osiągana jest sprawność przekształtników na poziomie 98%.

W wyniku pomiarów stwierdzono, że wartości napięcia nasycenia badanych tranzystorów SiC MOSFET, oraz rezystancja dynamiczna w niektórych przyrządach odbiegają od danych deklarowanych w tym zakresie przez producenta przyrządów. Może to świadczyć o nie w pełni ustabilizowanej technologii wytwarzania tych elementów. Korzystne w tych warunkach może być prowadzenie pomiarów podstawowych parametrów wymienionych tranzystorów w trakcie realizacji ich zakupów.

Jedną z podstawowych barier ograniczających szersze zastosowanie SiC jest jego wysoka cena. Wysoka cena węglika krzemu podyktowana jest kosztowną technologią wytwarzania jego formy monokrystalicznej. Obecnie, najbardziej powszechną technologią produkcji jest proces wzrostu kryształu z fazy gazowej w temperaturze powyżej 2000^oC [8], który jest czasochłonny i bardzo niestabilny co może skutkować niezbyt dużym uzyskaniem kryształów o parametrach wymaganych do produkcji przyrządów półprzewodnikowych, oraz odchyleniami parametrów produktów finalnych.

LITERATURA:

[1]  Philip G. Neudeck Silicon Carbide Technology, October 2006

[2]  Adamowicz M., Pietryka J., Giziewski S., Rutkowski M., Krzemiński Z., Układy sterowania bramkowego tranzystorów z węglika krzemu Sic JFET w falownikach napięcia, Przegląd Elektrotechniczny, 4b (2012), 1-6

[3]  Rąbkowski J., Zdanowski M., Barlik R., Sterowniki bramkowe dla tranzystorów z węglika krzemu (Sic) – przegląd rozwiązań Przegląd Elektrotechniczny, 4b (2012), 187-192

[4]  Kim A., Switching-Loss Measurement of Current and Advanced Switching Devices for Medium – Power Systems, Master of Science in Electrical Engineering, August 10, 2011 

[5]  CMF20120D-Silicon Carbide Power MOSFET Z-FET MOSFET N-Channel Enhancement Mode, 2012

[6]  Zymmer K., Mazurek P. Comparative investigation of SiC and Si Power electronic devices operating at high switching frequency, Bulletin of the polish academy of sciences technical sciences, Vol 59, No. 4 December 2011 str. 555-559

[7]  Michalski A., Zymmer K, Przyrządy półprzewodnikowe z węglika krzemu w przekształtnikach energoelektronicznych. Prace Instytutu Elektrotechniki nr 248/2010 str. 5-20

[8]  Wijesundara M, Azevedo R, Silicon Carbide Microsystems for Harsh Environments 2011

[9]  http://sic.dsod.pl/