2020-03-17
2020-03-09
小さな駆動信号を用いて大きな電圧および電流(すなわち、パワートランジスタ)を制御する3つの端子電力スイッチも、高電力変換回路の重要なビルディングブロックである。しかしながら、この文書の執筆時点では、高電力スイッチングトランジスタは、電力システム回路において有益な用途のために市販されていない。参考文献134,135,172,180、および186-188に要約されているように、近年、様々な改善された3端子電源スイッチが試作されている。
商用電源スイッチングトランジスタの現在の欠如は、この章の他の部分で論じられているいくつかの技術的困難に大きく起因する。例えば、すべての高出力半導体トランジスタは、オフ状態の電流フローを阻止する高電界接合を含む。したがって、ダイオード整流器(セクション5.4.5および5.6.4.1)上の結晶欠陥によって課される性能の制限は、高出力のトランジスタにも当てはまります。また、5.5.5項で説明した反転チャネル移動度が不十分であり、ゲート絶縁体の信頼性が疑わしい場合には、反転チャネルのMOSFET(すなわち、MOSFET、igbtsなど)の性能および信頼性が制限されていました。これらの問題を回避するために、mesfet、jfet、bjt、およびdepletion-channel MOSFETなどの高品質ゲート絶縁体に依存しないデバイス構造が、パワースイッチングトランジスタとしての使用に向けて試作されています。しかし、これらの他のデバイストポロジは、シリコンベースの反転チャネルMOSFETおよびigbtsに比べて魅力的でないように、電源システム回路設計に非標準要件を課しています。特に、シリコンパワーMOSFETおよびIGBTは、それらのMOSゲートドライブが導通電力チャネルから十分に絶縁され、駆動信号電力をほとんど必要とせず、デバイスが電流が流れないという点で「通常オフ」であるため、電力回路において非常に普及しているゲートが0Vでバイアスされていないとき、他方 デバイスのトポロジに欠けているこれらの1つ以上の回路に優しい面が、電源ベースのデバイスが電力システムのアプリケーションでシリコンベースのMOSFETとIGBTを有益に置き換えることができない原因となっています。
セクション5.5.5で説明したように、4h-sic MOSFET技術の実質的な改良が、4h-sic MOSFETの商業化につながると期待されています。その間に、高電圧のシリコン集積回路を低電圧のシリコンパワーMOSFETと組み合わせて単一のモジュールパッケージにすることによる有利な高電圧スイッチングは、実用化に近づいているようである。ディプリーションチャネル(すなわち、埋設チャネルまたはドープチャネル)MOSFET、JFETおよびMESFETを含む、(横チャネルおよび縦チャネルの両方を有する)SICドープチャネルフェツトのための多数の設計が試作されている。これらのデバイスのいくつかは、ゲートバイアスがゼロの状態で「ノーマリオフ」に設計されていますが、これらのデバイスの動作特性は、商用化を可能にするコストに対して十分な利点を提供していません。
p注入されたベースコンタクト領域で起こる望ましくない大きな少数キャリア再結合に対応するようにデバイス設計を変更することによって、プロトタイプの4時間パワービツトの利得の大幅な改善が最近達成されている。 igbts、サイリスタ、ダーリントン・ペア、およびシリコンからの他のバイポーラ・パワー・デバイス・デリバティブもまた、試作されている。従来の高出力シリコンデバイスのアプリケーションで非常に有用な技術である光トランジスタのトリガも、シックバイポーラデバイスで実証されています。しかし、すべてのバイポーラパワートランジスタは順方向バイアスの下で少数キャリアを注入する少なくとも1つのpn接合で動作するため、pn接合整流器(セクション5.6.4.1.2)について説明した結晶欠陥誘導バイポーラ劣化もバイポーラトランジスタの性能に適用されます。いずれのパワーバイポーラトランジスタデバイスも商業化のために十分に信頼性を持たせるには、4hエピ層からの基底面転位の効果的な除去が達成されなければならない。有益な高電圧igbtsを実現するためには、酸化物の問題(セクション5.5.5)も解決しなければならない。しかしながら、比較的貧弱なp型基板の導電率は、シリコン技術において現在支配的なn-igbt構造の代わりにp-igbtsの発生を強制する可能性がある。
様々な基本的なパワーデバイス技術の課題が克服されるにつれて、ますます広がる電圧、電流、およびスイッチング速度仕様に対応するより幅広い集積パワートランジスタが、有益な新しい電源システム回路を可能にする。