Ημιαγωγικοί διακόπτες-JFETs καρβιδίου πυριτίου

Abstract

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι τo JFET (Junction Field Effect Transistor=Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Ένωσης) καρβιδίου πυριτίου (Silicon Carbide-SiC), αλλιώς SiC-JFET. Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα εργασία, συνεισφέρει στη γνώση των SiC-JFETs με την δημιουργία ενός μοντέλου προσομοιώσεων για το normally-on SiC-JFET SJDP120R085. Επιπλέον, περιλαμβάνει την περιγραφή της διαδικασίας εξαγωγής του μοντέλου, ούτως ώστε να διευκολύνει και τη μελλοντική δημιουργία αντίστοιχων μοντέλων. Τα SiC-JFETs χρησιμοποιούνται ως ημιαγωγικοί διακόπτες σε εφαρμογές μετατροπέων ηλεκτρονικών ισχύος. Ο λόγος που τους δίνεται ιδιαίτερη προσοχή είναι τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά που παρουσιάζουν, σε σχέση με τα ημιαγωγικά στοιχεία πυριτίου, εξαιτίας του υλικού κατασκευής τους (καρβίδιο του πυριτίου-SiC). Η συνολική δομή της εργασίας, έχει ως εξής: Αρχικά γίνεται αναφορά στο SiC ως υλικό, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζεται η δομή και οι αρχές λειτουργίας των διατάξεων της διόδου και του JFET. Σε επόμενη φάση, παρατίθεται το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα του JFET, ένα μαθηματικό μοντέλο καθώς και το γενικό μοντέλο που χρησιμοποιεί το πρόγραμμα προσομοιώσεων SPICE. Ακολουθεί το βασικότερο κομμάτι της εργασίας, που είναι η εξαγωγή του μοντέλου προσομοιώσεων (SPICE) για τον ημιαγωγικό διακόπτη-JFET, SJDP120R085 της εταιρίας Semisouth. Ο προσδιορισμός του μοντέλου έγινε βάσει των φύλλων προδιαγραφών του ημιαγωγού αλλά και μετρήσεων του εργαστηρίου ηλεκτρικών μηχανών και ηλεκτρονικών ισχύος. Στο έβδομο κεφάλαιο περιγράφεται η συμπεριφορά που παρουσιάζουν τα JFETs ως διακόπτες και δίνονται τα χαρακτηριστικά των SiC-JFETs. Επιπλέον αναφέρεται η επίδραση των παρασιτικών στοιχείων του JFET που ήδη περιλαμβάνονται στο μοντέλο προσομοιώσεων καθώς και κάποιων πρόσθετων που προκύπτουν στην πράξη. Στο όγδοο κεφάλαιο, αρχικά τεκμηριώνεται μέσω προσομοιώσεων η προηγούμενη θεωρητική ανάλυση, ενώ ταυτόχρονα γίνεται μια προσπάθεια να προσδιορισθούν ενδεικτικά τα εξωγενή παρασιτικά στοιχεία του JFET το οποίο μελετάται. Κατά το κλείσιμο του κεφαλαίου αυτού, παρατίθενται κάποιες «διακοπτικές» μετρήσεις που έχουν λάβει χώρα στο εργαστήριο ηλεκτρικών μηχανών και ηλεκτρονικών ισχύος στα πλαίσια άλλης εργασίας, οι οποίες σχολιάζονται. Στο ένατο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία υπολογισμού ψήκτρας για το JFET που μελετάται (SJDP120R085). Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα αυτής της διπλωματικής εργασίας.

The object of this thesis is the JFET (Junction Field Effect Transistor) made of Silicon Carbide (SiC), otherwise SiC-JFET. More specifically, this work contributes to the knowledge of SiC-JFETs, by the creation of a simulation model for the normally-on SiC-JFET SJDP120R085. In addition, the description of the extraction process of the model is included, in order to facilitate the future creation of corresponding models. SiC-JFETs are used as semiconductor switches in power electronics’ converter applications. They are given special attention due to the enhanced features that they appear to have, compared to Silicon devices, because of their construction material (Silicon Carbide-SiC). The overall structure of the work is as follows: Initially, reference is made to SiC as a material and after that, the presentation of the structure and the operating principles of the diode and the JFET devices, takes place. At a later stage, the JFET equivalent circuit, a mathematical model and the general model used by the SPICE simulation software are given. The main part of this thesis, which is the extraction of the simulation model (SPICE) for the Semisouth’s semiconductor switch-JFET, SJDP120R085, is next. The determination of the model was based on data from the semiconductor datasheets and measurements provided by the electrical machinery and power electronics laboratory. Chapter seven describes the behavior of JFETs when operated as switches and also gives the characteristics of SiC-JFETs. Additionally, a description is given about the influence of the, JFET equivalent circuit parasitic elements that are already included in the simulation model as well as some additional arising in practice. In the eighth chapter, initially, the previous theoretical analysis is supported by simulations, while at the same time attempt is made to identify the extrinsic parasitic elements of the JFET which is under investigation. At the closing of this chapter, there are listed some switching measurements that took place at the electrical machinery and power electronics laboratory in the context of other work, which are discussed. The ninth chapter describes the calculation procedure of a heatsink for the JFET being studied (SJDP120R085). The last chapter presents the conclusions of this thesis.