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INFORME FINAL DEL PROYECTO DE INVESTIGACION
“CARACTERIZACION DE DISPOSITIVOS DE POTENCIA EN CARBURO DE SILICIO (SiC) PARA SU APLICACION EN
SISTEMAS CONVERTIDORES DE POTENCIA”
REGISTRO CGPI: 20080054
1.-INTRODUCCION
El carburo de silicio (SiC) es uno de los materiales alternos que esta reemplazando al silicio en la fabricación de dispositivos de potencia
en aplicaciones muy específicas. Las razones de este desplazamiento es que presenta mejores propiedades como son: una banda prohibida
más amplia (2x), velocidad de saturación de electrones más elevada (2x) y una mayor conductividad térmica (5x).
En la actualidad el diodo Schottky es comercializado por Cree para voltajes de ruptura de 600V y 1200V en rangos de corriente de 1A a
50A y por Infineon para voltajes de ruptura de 300V y 600V en rangos de corriente de 2A a 20 A. [6],[7]
Cree además cuenta con el SiC-MESFET para aplicaciones inalámbricas (Wireless) para una frecuencia de operación máxima de 2.7 GHz,
y para mediados del 2009 anuncia la liberación del SiC MOSFET. [6]
El rápido desarrollo tecnológico que se esta logrando con esta nueva tecnología emergente en dispositivos de potencia, esta obligando a los
diseñadores a su utilización para la mejora y optimización de los parámetros de eficiencia. Un punto importante en su utilización es la
caracterización de este nuevo material, para su correcta aplicación por parte de los diseñadores. Una referencia obligada en la
caracterización es su comparación con el silicio, por lo que se caracterizo al diodo Schottky en SiC y comparo con su contraparte en silicio.
Para la obtención de valores más reales, se diseño e implanto en el laboratorio dos prototipos (Boost y Buck) para la obtención de
resultados experimentales.
2.- DESARROLLO
En el desarrollo del proyecto se procedió a la búsqueda de información de acuerdo a las fases que componen el tema de investigación,
siendo estas las siguientes: obtención de parámetros, diseño, simulación y obtención de resultados experimentales. A continuación se
describen en forma resumida cada una de estas fases.
2.1. Obtención de parámetros
• Libre recuperación inversa en las fases de conmutación (reverse recovery free switching)
• Razonable comportamiento de polarización directa comparado con los diodos rápidos en Si.
• Baja corriente de fuga comparado con un diodo Schottky en Si de 200 V y uno en GaAs de
250 V (menor que 0.5 mA a 150 °C).
Figura 1. Construcción básica de diodo Schottky
Las características típicas de conducción y bloqueo del diodo Schottky en SiC están por encima de 225 °C como se muestra en las figuras
2 y 3. A diferencia de los diodos en Si y GaAs se presenta un moderado incremento en la corriente de fuga con el incremento de
temperatura. En este tipo de dispositivo se presenta una resistencia de encendido por unidad de área típica de 2.2mΩcm2 a 600 V, la
resistencia por unidad de área se incrementa desde 0.9 mΩcm2 a temperatura ambiente hasta 1.8 mΩcm2 a 150 °C. Este coeficiente
positivo de temperatura en polarización directa hace al diodo Schottky el más apropiado para trabajar con corrientes por debajo de la
corriente nominal. Por otro lado el coeficiente de temperatura positivo conlleva una menor relación entre picos de corriente no repetitivos,
significando una corriente directa mayor que en diodo de Silicio. Propiedad que tendrá que ser tomada en cuenta durante el diseño de los
circuitos.
Figuras 2 y 3. Dependencia de la temperatura para el diodo Schottky
2.2 Modelo
En esta parte se presenta el modelo utilizado para el diodo Schottky en SiC; el cual incluye efectos debido a la temperatura. El diodo de
potencia Schottky es un rectificador unipolar. El flujo de corriente en dirección directa esta determinada por la corriente mayoritaria de
electrones únicamente, en la Figura 4 se puede observar el símbolo y estructura típica para este dispositivo. A diferencia de los dispositivos
de potencia bipolares, no se presenta la conductividad de modulación en la región de deriva. Para el análisis del modelado del diodo
Schottky se ha separado en 4 partes: región de contactos Schottky, región de deriva, región de substrato y contactos ohmicos.
Figura 4. Símbolo y estructura unidimensional del diodo Schottky en SiC
2.2.2 Modelado del comportamiento estático del diodo de potencia Schottky
La teoría de emisión termoiónica puede ser usada para describir la corriente a través de la barrera del diodo Schottky. Pero esta teoría no es
apropiada para describir el comportamiento de la corriente directa e inversa de un diodo Schottky real. Una ecuación mejorada que incluye
los efectos de la barrera Schottky debido al ancho de la región prohibida y las perdidas debidas a la corriente inversa para un campo
eléctrico junto con la temperatura, se presenta en (1).
Vj
⎛
⎞
n id ⋅ VT −1 ⎟
⎜
jn = J S ⋅ e
⎜
⎟
⎝
⎠
ϕ Bn
(1) J S = A ⋅ T ⋅ e
*
E
⎡1 ⎛
α 0 + α1 0
k ⋅T
E ref
⎜
=1−
⋅ ln ⎢ ⋅ 1 + e
q ⋅ Φ Bn
⎢⎣ 2 ⎜⎝
⎞⎤
⎟⎥
⎟⎥
⎠⎦
Φ LS =
(3)
2
−
q ⋅[ϕ Bm ⋅Φ Bn − Φ LS ]
k ⋅T
q ⋅ E0
4⋅π⋅ε
(2)
(4)
Donde:
A* es la constante efectiva Richardson.
φLS es la perdida de la barrera Schottky.
T es la temperatura absoluta.
E0 es el campo eléctrico de barrera Schottky.
q es la carga del electrón.
Eref es el valor del campo de referencia.
K es la constante de Boltzman.
ε es la constante dieléctrica del semiconductor.
VT es el voltaje térmico
φBn es la altura de barrera Schottky ideal
La modificación de los términos para corriente directa nid y la pérdida por corriente inversa ϕBn describen las características no ideales para
el contacto Schottky.
2.2.3 Características estáticas de la región deriva (DRIFT)
La región de deriva es la zona ligeramente dopada del diodo Schottky de potencia. El voltaje de polarización directo es considerado
además como el voltaje de unión de la barrera del diodo Schottky para las pérdidas de conducción. Una aproximación óptima para el
modelado de la región de deriva es limitar el campo eléctrico máximo en la barrera Schottky al valor Emax=Elim donde la perdida por
corriente inversa se puede limitar, obteniendo un máximo valor en corriente donde la región de deriva mantiene el voltaje inverso VR.
Usando la ecuación de Poisson y con las expresiones para el ancho de la región de deriva wD, el dopado de la región de deriva ND y la
resistencia específica de la región de deriva RD, se derivan las expresiones siguientes:
wD =
2 ⋅ VR
E lim
(5) N D =
2
ε ⋅ E lim
2 ⋅ q ⋅ VR
(6) R D,sp =
4 ⋅ VR2
ε ⋅ µ n ⋅ E 3lim
(7)
2.2.4 Sustrato óhmico y Resistencia de contacto.
La resistencia específica del sustrato RS,sp depende del ancho del sustrato wS y de la conductividad del sustrato σS, como se observa en la
ecuación (8)
R S, sp =
wS
σS
=
wS
q ⋅ µ n ⋅ NS
(8)
2.2.5 Modelado del comportamiento dinámico del diodo de potencia Schottky
La capacitancia de la región de deplexión determina el comportamiento dinámico del diodo Schottky. Esta capacitancia es similar a uno de
los lados de la unión p+n-. Las capacitancias parasitas pueden ser despreciadas en comparación a la capacitancia de la región de deflexión,
la cual esta determinada por (9) o (10).
Cj =
C j0
V
1−
Vd 0
(9)
ε ⋅ E lim
C j0 =
4 ⋅ Vd 0 ⋅ VR
E0 =
(10)
V
V2
≈ E lim ⋅
VR ⋅ (Vd 0 − V )
VR
(11)
Cj0 representa la capacitancia de deplexión para v = 0 y Vd0 es el potencial de inter-construcción en el contacto del diodo Schottky. El
campo eléctrico E0 depende de voltaje inverso que soportara el dispositivo.
2.2.6 Dependencia con la temperatura.
Los efectos térmicos son muy importantes para todos los dispositivos semiconductores de potencia. En el diodo Schottky la caída del
voltaje directo y la pérdida por corriente inversa, dependen fuertemente de la temperatura del dispositivo para la condición de polarización
completa (todos los iones donadores en la región de deriva y en el sustrato son ionizados completamente). Los efectos de la temperatura
dependen de la concentración intrínseca, que puede ser despreciada en comparación con la concentración de donadores en el rango de
temperatura (300K a 500K) para el carburo de silicio. Las expresiones analíticas dependientes de la temperatura para la movilidad de
electrones se presentan en la expresión (12):
µn = µ
min
n
+
µ delta
n
⎛N ⎞
1 + ⎜⎜ Dµ,S ⎟⎟
⎝ Nn ⎠
γn
⎛ T ⎞
⋅⎜
⎟
⎝ 300K ⎠
αn
(12)
Donde:
µ nmin = 20
cm 2
cm 2
, N nµ = 4, 5 ⋅1017 cm −3 , α n = −2, µ ndelta = 380
, γ n = 0.45
VS
VS
Las perdidas por corriente inversa del diodo Schottky dependen de la temperatura. Esta corriente puede ser descrita por la relación
empírica presentada en la ecuación 2 y 3, donde los coeficientesα0 y α1a utilizar toman los siuientes valores:
µ1 = 3,8
α 0 = α a + α b ⋅ (T − 400K ) + α c ⋅ (T − 400K )
2
(13)
(14)
Con:
α a = −15 α b = −12.95 ⋅10 −3 K −1 α c = 91 ⋅10 −6 K −2
3. Diseño y simulación del Convertidor tipo Boost
Para continuar con el desarrollo del proyecto, se simulo el convertidor Boost y se requirió de los siguientes datos para fines de simulación.
Datos
25V
D = 1−
= 0.5
vin = 25V
Voltaje de entrada:
50V
Con el ciclo de trabajo y utilizando la ecuación 2, en la cual
Voltaje de salida:
v out = 50V
aparece la inductancia, podemos despejar y tenemos que:
f = 100KHz
Frecuencia:
⎫
1 ⎧⎪
⎛ 1 ⎞
L=
⎨( 0.5 ) ⎜
Corriente de salida:
Iout = 200mA
⎟ ( 25V ) ⎬ = 2.5mH =
500mA ⎩⎪
100
Khz
⎝
⎠
⎭
v γ = ∆v 0 = 1V y i γ = ∆I L = 500 mA
De la ecuación 4 despejamos y obtenemos la potencia de la
siguiente forma:
Las ecuaciones que se utilizaron para realizar los cálculos son:
p0 = VI 0 = 50V ( 200mA) = 10W
v
1
(1), ∆I L = DTV
(2)
1− D = 0
Habiendo
calculado la potencia de salida y teniendo el voltaje
vi
L
de salida que es un dato conocido, de la ecuación 5 tenemos que:
∆v 0 =
Dv 0
2
RCf sw
(3),
p0 = vI
(4)
2
v
R= 0
p0
(5)
Solución
Para encontrar los elementos necesarios, se procede a calcular el
ciclo de trabajo, despejando de la ecuación 1 y tenemos que:
R=
v 2 50V 2
=
= 250Ω
p 0 10 w
Finalmente espejando de ecuación 3 calculamos la capacitancia:
( 0.5 ) 50V
Dv0
c=
=
= 1µ f
Rf sw ( ∆v0 ) 250 (100 Khz )(1)
3.1 resultados de simulación del convertidor tipo Boost
Después de haber obtenido los valores con los cuales operará el convertidor tipo Boost, se procede a su simulación, tomando en cuenta las
formas de onda representativas con un diodo de Silicio (1N4148) y comparándolo con un diodo en SiC (CSD04060). El circuito de la
simulación tiene un voltaje de entrada de 25 volts con un voltaje de salida de 50 volts, para una corriente máxima de 250mA, dicho
circuito se aprecia en la Figura 5.
Figura 5. Circuito de prueba para el convertidor en la topología Boost
Las señales de entrada y de control que se utilizaron para poder realizar la simulación del convertidor se observan en las siguientes
graficas:
Voltaje de rectificación
Voltaje de entrada
Para observar las posibles diferencias entre un diodo de silicio y después un diodo de carburo de silicio, se obtuvieron los resultados
comparativos que se pueden apreciar en las siguientes graficas.
Las formas de onda obtenidas en L1, C2, R1 y D5 para el diodo de silicio (Si) en el convertido son:
La corriente en el capacitor está situada sobre un nivel cero, mientras que la corriente en el inductor está sobre un pequeño nivel de DC
debido a que se presenta una componente de directa. IR1 se presenta en forma constante debido a que es un elemento puramente resistivo,
mientras que la corriente del diodo es igual a la corriente en el inductor solo durante el tiempo que el inductor se descarga.
Las formas de onda obtenidas en L1, C2, R1 y D5 para el diodo de carburo de silicio (SiC) en el convertido son:
IC2 se encuentra situada sobre un nivel cero, mientras que IL1 esta sobre un nivel DC. IR1 se presenta en forma constante debido a que es un
elemento puramente resistivo, mientras que la corriente del diodo es igual a la corriente en el inductor solo durante el tiempo que el
inductor se descarga.
3.2 Desarrollo del prototipo final para la topología Boost.
Para la obtención del prototipo final, se realizaron pruebas parciales en el laboratorio, lo que nos permitió ir validando cada una de las
etapas del circuito final, las cuales se presentan a continuación.
3.2.1 Formas de onda para el diodo en Silicio
Las mediciones se realizaron considerando una carga de 250 ohms a 10W, esto con el fin de obtener una demanda de corriente de
aproximadamente 250mA. Las formas de onda obtenidas para el circuito con carga y sin carga se muestran en las siguientes figuras.
Voltaje del pin 8
Voltaje de diodo
Voltaje de salida
Voltaje de salida
3.2.2 Formas de onda para el diodo en Carburo de Silicio
Las mediciones se realizaron sobre el circuito con la etapa de potencia con un diodo SiC (C2D05120) de características similares al de
Silicio; se considero una carga de 250 ohms a 10W, esto con el fin de obtener una demanda de corriente de aproximadamente 250mA.
Voltaje del pin 8
Voltaje de diodo
Voltaje de salida
Voltaje de salida
3.3. Tarjeta de desarrollo final para el convertidor tipo elevador Boost
De acuerdo con los cálculos obtenidos, el circuito esquemático con valores comerciales, los circuitos impresos y fotos del prototipo final se
muestran a continuación.
Circuito esquemático con valores comerciales
Diseño de la tablilla con ayuda de PCB Wizard
En la figura del lado izquierdo se puede observar la placa del lado de los componentes y en la figura del lado izquierdo la placa del lado de
las soldaduras. A continuación se muestran diferentes vistas del circuito terminado.
4. Diseño y simulación del Convertidor tipo Buck
4.1 Diseño y simulación
Para el diseño del convertidor tipo Buck se requirió de los siguientes datos para su simulación y a partir de estos se realizaron los cálculos
de acuerdo a las señales conocidas.
Datos:
5v
Voltaje de entrada: v in = 48V
= 0.10416v
D=
48v
Voltaje de salida: v out = 5V
A continuación se calcula la resistencia con los valores de
Frecuencia: f = 100KHz
voltaje de salida y potencia de salida que con conocidos:
Corriente de salida: I out = 400mA
2
2
R=
v γ = 0 .5 V
Ecuaciones
V
D= O
Vi
(1),
(1 − D )R
L=
c=
(3),
R=
(1 − D)VO
8Vγ Lf 2
2f
v2
p0
(2)
(4)
Solución
Conociendo los voltajes de entrada y salida, se procede a
calcular el ciclo de trabajo
v
5v
=
= 12.5Ω
p0 2w
Conociendo estos valores se calcula el valor de la inductancia
(1 − 0.10416 )12.5Ω
L=
= 55.99µ H
2 ⋅100kHz
Se procede a calcular el valor del capacitor.
(1 − 0.10416 ) 5v
Cmin =
= 2µ f
2
8 ( 0.5v )( 55.99µ H )(100kHz )
Y finalmente se calcula la potencia de salida:
pO = 5v ( 400mA) = 2W
4.1.1 Resultados de simulación del convertidor tipo Buck
Una vez calculando los valores con los cuales operará el convertidor Buck, se procede a simularlo tomando las formas de onda
representativas con un diodo Si (1N4148) y comparándolo con un diodo SiC (C2D05120). El circuito a simular tiene un voltaje de entrada
de 50 volts con un voltaje de salida de 5 volts, manipulando una corriente de 250mA.
Circuito de prueba para el convertidor en la topología Buck
Para observar las posibles diferencias entre un diodo de silicio y después un diodo de carburo de silicio, se obtuvieron los resultados
comparativos que se pueden apreciar en las siguientes graficas.
Las formas de onda en el convertidor utilizando un diodo de silicio (Si) son:
IR1 se presenta en forma constante debido a que es un elemento puramente resistivo, mientras que la corriente del
diodo se presenta de manera pulsante a la frecuencia de conmutación del circuito.
Las formas de onda en el convertidor utilizando un diodo de carburo de silicio (SiC) son:
IR1 se presenta en forma constante debido a que es un elemento puramente resistivo, mientras que la corriente del
diodo se presenta de manera pulsante a la frecuencia de conmutación del circuito.
4.2 Desarrollo del prototipo final para la topología Buck.
Para la obtención del prototipo final, se realizaron pruebas parciales en el laboratorio, lo que nos permitió ir validando cada una de las
etapas del circuito final, las cuales se presentan a continuación..
4.2.1 Formas de onda obtenidas por el circuito con un diodo de Si como elemento de conmutación (1N4148)
Las mediciones que se realizaron sobre el circuito con la etapa de potencia con carga fueron considerando una carga de 10 ohms a 5W,
esto con el fin de obtener una demanda de corriente de unos 200mA aproximadamente. Las formas de onda obtenidas por el circuito con
carga y sin carga se muestran en las siguientes figuras.
Voltaje en el pin 5
Voltaje de diodo
4.2.2 Formas de onda obtenidas por el circuito con un diodo de SiC como elemento de conmutación (C2D05120)
Voltaje en el pin 5
Voltaje de diodo
4.3 Tarjeta de desarrollo final para el convertidor reductor Buck
De acuerdo con los cálculos obtenidos, el circuito esquemático con valores comerciales, los circuitos impresos y fotos del prototipo final se
muestran a continuación.
Circuito utilizado con valores comerciales para la tablilla
En la figura del lado izquierdo se puede observar la placa del lado de los componentes y en la figura del lado izquierdo la placa del lado de
las soldaduras.
Tablilla realizada con ayuda del programa PCB Wizard
A continuación se muestran diferentes vistas del circuito terminado.
Bibliografía
[1]
R. Kolessar, H-P. Nee. ”A new Physics-based Circuit Model for 4H-SiCPower Diodes Implemented in SABER”,APEC’01, pg. 989
[2]
J. W. Palmour; RE. Singh; R. C. Glass; Okordina; C. H. Carte, “Silicon Carbide for Power Devices”, ISPSD 1997, pp. 25-27.
[3]
A. R. Powell, L. B. Rowland; “SiC Materials-Progress, Status, and Potential Roadblocks”, pp. 942-944
[4]
A. Agarwal; C. carter; M. D. Hobgood; S. Krishnaswami; S. Mueller; J. Palmour; “The impact of 75 mm plus SiC high quality
substrates and epitaxial layers on high power semiconductor device rating”, EPE 2003.
[5]
Compound semiconductor, October 2005 Volume 11 Number 9, pp.5
[6]
www. cree.com
[7]
www.infineon.com