SiC MOSFET and GaN FET in high voltage switching applications

Abstract

For several decades, silicon-based semiconductor devices, such as Si MOSFETs have been the main choice for switching applications. However, their level of performance is approaching its maximum potential, and further development becomes increasingly challenging. As a result, semiconductor manufacturers and the electronics industry are exploring new technologies to meet current requirements.

One promising option is the use of WBG (Wide Band Gap) devices, such as GaN FETs and SiC MOSFETs, which have gained attention due to their superior performance characteristics. Compared to traditional Si transistors, WBG devices can withstand higher voltages and tem-peratures, are faster, can be packed in smaller sizes, and are more efficient.

This study aims to serve as a guide for designers seeking information on the technology and usage of WBG transistors, particularly in high voltage switching applications. The study in-cludes an examination of the structures of SiC MOSFETs and GaN FETs, as well as their most important electrical characteristics. Additionally, the efficiency of an LCC converter was measured to compare the performance of various FET types, with a specific interest in the use of WBG devices in soft switching applications.

Scientific articles, application notes, and datasheets were investigated to provide a thorough understanding of the theory behind SiC MOSFETs and GaN FETs. According to resources, the primary SiC MOSFET and GaN FET technologies suitable for high voltage switching are planar SiC MOSFET, trench SiC MOSFET, p-GaN FET and GaN/Si cascode transistor. These devices are currently available with breakdown voltages of 1700 V (planar SiC MOSFET), 2000 V (trench SiC MOSFET), 650 V (p-GaN FET) and 900 V (GaN/Si cascode transistor).

The efficiency of an LCC converter with a maximum output power of 40 W was measured using 1500 V Si MOSFET, 1700 V planar SiC MOSFET, 1700 V trench SiC MOSFET, and 900 V GaN/Si cascode transistor. A constant load of 1 A was used, and the input voltage was incre-mentally increased from 300 V to 900 V in 100 V steps. According to results, using planar and trench SiC MOSFETs, LCC converter had the highest efficiency, reaching up to 89,6 % while Si MOSFET exhibited slightly lower efficiency, which was 87,7 % at its best. GaN/Si cascode tran-sistors showed comparable efficiency to SiC MOSFETs at lower input voltages but fell signifi-cantly behind as the voltage increased, having eventually much worse efficiency than Si MOSFET.

Useiden vuosikymmenien ajan pii-pohjaiset puolijohteet, kuten pii MOSFETit, ovat olleet pääasiallinen teknologia katkojasovelluksissa. Niiden suorituskyky lähestyy kuitenkin ylärajaa, ja niiden kehittäminen käy yhä vaikeammaksi. Tämän vuoksi puolijohdevalmistajat ja elektroniikkateollisuus etsivät uusia teknologioita täyttää nykyiset vaatimukset.

Yksi lupaava teknologia ovat laajan energiavyön puolijohteet, kuten galliumnitridi FETit ja piikarbidi MOSFETit. Viime vuosina ne ovat herättäneet paljon huomiota niiden ylivoimaisten ominaisuuksien vuoksi. Verrattuna perinteisiin pii MOSFETeihin, laajan energiavyön transistorit kestävät suurempia jännitteitä ja lämpötiloja, ovat nopeampia ja ne voidaan pakata pienempään kokoon. Lisäksi ne ovat tehokkaampia.

Tämä diplomityö pyrkii toimimaan oppaana elektroniikkasuunnittelijoille, jotka etsivät tietoa laajan energiavyön transistoreista ja niiden käytöstä erityisesti suurjännitekatkojasovelluksissa.Työssä tarkastellaan piikarbidi MOSFETien ja galliumnitridi FETien rakenteita sekä niiden tärkeimpiä sähköisiä ominaisuuksia. Lisäksi mitattiin kelaan ja kahteen kondensaattoriin perustuvan LCC resonanssiteholähteen hyötysuhde eri FET-tyypeillä, koska haluttiin saada tietoa laajan energiavyön transistorien käytöstä pehmeässä jännitteen katkonnassa.

Tiedon keräämiseksi tutkittiin tieteellisiä artikkeleita, sovellusohjeita ja datalehtiä. Lähdeaineiston perusteella pääasialliset piikarbidi MOSFETien ja galliumnitridi FETien teknologiat suurjännitesovellusten alueella ovat planaarinen piikarbidi MOSFET, erityiseen kaivanto teknologiaan (trench) perustuva piikarbidi MOSFET, p-tyypin galliumnitridi FET ja galliumnitridi/pii kaskadi transistori. Tällä hetkellä näitä teknologioita on kaupallisesti saatavilla enimmillään 1700 V (planaarinen piikarbidi MOSFET), 2000 V (kaivanto piikarbidi MOSFET), 650 V (p-tyypin galliumnitridi FET) ja 900 V (galliumnitridi/pii kaskadi transistori) jännitteillä.

Nimellisteholtaan 40 W LCC resonanssi teholähteen hyötysuhde mitattiin 1500 V pii MOSFETeilla, 1700 V planaarisilla piikarbidi MOSFETeilla, 1700 V kaivanto piikarbidi MOSFETeilla ja 900 V gallium-nitridi/pii kaskadi transistoreilla. Kuormana käytettiin 1 A vakiokuormaa ja tulojännitettä nostettiin asteittain 300 voltista 900 voltiin 100 voltin nostoin. Tulosten mukaan paras hyötysuhde oli 89,6 %, joka mitattiin planaarisella piikarbidi MOSFETilla ja kaivanto piikarbidi MOSFETilla. Pii MOSFETien tapauksessa hyötysuhde oli hieman huonompi, ollen parhaimmillaan 87,7 %. Alhaisilla jännitteillä galliumnitridi/pii kaskadi transistorien hyötysuhde oli verrattavissa piikarbidi MOSFETeihin, mutta hyötysuhde laski jännitettä nostettaessa, ollen lopulta merkittävästi huonompi kuin pii MOSFETeilla.