Møter utfordringene for høyytelses silisiumkarbid-komponenter (SiC)

En av måtene å øke svitsjemoduseffektiviteten på er å redusere kobbertap og svitsjetap. For å møte denne utfordringen stiger imidlertid DC-buss-spenningene, og halvlederteknologier må utvikles for å holde tritt. Disse teknologiene er kritiske for selskapene og for å muliggjøre karbonreduksjonsforpliktelser.

I denne artikkelen vil onsemi se på hvordan neste generasjons SiC-enheter utvikler seg for å møte utfordringene til nye applikasjoner. Den vil også vurdere hvordan en robust ende-til-ende forsyningskjede er avgjørende for å sikre vedvarende suksess.

Raske endringer

Teknologien akselererer raskt med forskjellige drivere på tvers av en rekke applikasjonssektorer. Ser vi på to av de viktigste markedene, industri og bil, er nøkkeltrendene som dominerer, økt effektivitet, formfaktor og bedre sensorer ved bruk av

I industrisektoren blir fremskritt innen MOSFET-er og kraftmoduler tatt i bruk for å forbedre energieffektiviteten og systemkostnadene til et bredt spekter av industrielle systemer. To områder som har en spesiell fordel er ladeinfrastruktur for elbiler og alternative/fornybare energiapplikasjoner som solenergi.

Lading må bli raskere

Kostnader og ytelse er røde tråder i mange industrielle applikasjoner. Designere blir utfordret til å levere mer kraft fra solcelle-omformere uten å øke størrelsen eller å redusere kjølekostnader knyttet til energilagring. Rimelig lading blir sett på som en inngangsport til spredningen av elektrifiserte personbiler. Det som imidlertid er avgjørende er oppnå raskere ladekapasitet via DC-veggboks eller DC-hurtiglading, uten å kreve ekstra kjøling.

På bilarenaen er effektivitet uløselig knyttet til rekkevidden til kjøretøyet samt størrelsen, vekten og kostnadene for elektronikken ombord. Her gir utplasseringen av SiC-løsninger over IGBT-strømmoduler i EV/HEV betydelige ytelsesforbedringer – sammen med fordelene oppnådd fra forbedret strømstyring i bil-prosessorer, LED-belysning og karosserielektronikk.

Trekkvekselretteren er et sentralt fokus da den påvirker kjøretøyets generelle effektivitet og derfor definerer rekkevidden. Med tanke på kjøreprofilen handler det for det meste om et lett personkjøretøy som kjører under forhold med lett last, og som sådan er effektivitetsfordelene med SiC fremfor IGBT-løsninger godt forstått. I tillegg må den innebygde laderen (OBC) være så liten som mulig. Mindre formfaktorer oppnås bare med WBG-enheter med høy svitsjefrekvens. Hver minste del av energien som spares gjør at kjøretøyet kan forbedre den totale kjørelengden og dempe rekkeviddeangst.

Fordeler med SiC-teknologi i moderne applikasjoner

Hver kraftkonvertering i bil- og industriapplikasjoner er avhengig av halvlederbaserte svitsjeenheter og dioder for å være effektive og redusere konverteringstapene. Følgelig har halvlederindustrien jobbet for å fremme ytelsen til silisiumbaserte halvlederkomponenter som brukes i kraftapplikasjoner, spesielt IGBT-er, MOSFET-er og dioder. Dette, sammen med innovasjon innen kraftkonverteringstopologier, har resultert i bedre ytelse enn noen gang før.

Med eksisterende silisiumbaserte halvledere som nå når grensen for å kunne fortsette å øke effektiviteten, kreves et nytt materiale. Såkalte wide bandgap (WBG) materialer som SiC og galliumnitrid (GaN) lover mye for fremtiden. Det elektriske systemets krav om høyere ytelse, tetthet og pålitelighet presser teknologibanen for SiC-teknologi.

Enten det er oppdragsprofilene til bilens trekkevne, solcelle-omformere eller ladere for elektriske kjøretøy, SiC-baserte MOSFET- og diode-produkter tilbyr bedre ytelse og systemnivåkostnader enn eksisterende Si-baserte IGBT-er og likerettere. SiC med sitt brede båndgap muliggjør høyere kritiske felt enn silisium, noe som gir høyere blokkeringsspenning som 1700V og 2000V. I tillegg har SiC iboende høyere elektronmobilitet og metningshastighet enn Si-komponenter, noe som resulterer i drift ved betydelig høyere frekvens og krysningstemperaturer, som begge er svært fordelaktige. I tillegg kan SiC-baserte komponenter svitsje med relativt lave tap ved høyere frekvenser, noe som reduserer størrelsen, vekten og kostnadene for tilknyttede passive komponenter, inkludert magnetikk og kondensatorer.

De betydelig lavere lednings- og koblingstapene gjør at SiC-baserte kraftløsninger genererer mindre varme. Dette, sammen med muligheten til å operere ved overgangstemperaturer (Tj) så høye som 175°C, betyr at behovet for termisk demping som vifter og kjøleribber reduseres betydelig, noe som sparer systemstørrelse, vekt og kostnader, samt sikrer større pålitelighet selv i utfordrende, plassbegrensede applikasjoner.

Behovet for komponenter med høyere spenning

SiC-karakteristikken med brede båndgap muliggjør høyere kritiske felt enn silisium, noe som gir høyere blokkeringsspenning som 1700V og 2000V. For en gitt wattstyrke vil økende spenning redusere de totale kravene til strømkapasitet og dermed det totale kobbertapet. I fornybare energiapplikasjoner som solcelleanlegg (PV) har DC-buss-spenningen fra PV-panelene økt fra 600 V til 1500 V for å øke effektiviteten. Tilsvarende er det en overgang fra 400 V buss i lette personbiler til 800 V buss (og i noen tilfeller 1000 V buss) for å drive effektivitet og redusere ladetiden. Tidligere ble 750 V klassifiserte komponenter brukt for 400 V buss-spenninger, men nå kreves høyere spenninger som 1200 V og til og med 1700 V for å sikre pålitelig drift i disse applikasjonene.

Siste teknologi

For å møte dette behovet for økte nedbrytningsspenninger, har onsi utviklet en rekke 1700V M1 plane EliteSiC MOSFET-enheter som er optimert for raske vekslingsapplikasjoner. En av de første tilgjengelige enhetene er NTH4L028N170M1 som har en VDSS på 1700 V og en utvidet VGS på -15/+25 V. Enheten har en utmerket typisk RDS(ON)-verdi på kun 28 mW.

De nye 1700 V MOSFET-ene kan operere med koblingstemperaturer (Tj) så høye som 175°C, noe som gjør at eventuell kjøleribbe kan bli betydelig mindre, eller fjernes helt. NTH4L028N170M1 inkluderer en Kelvin-kildetilkobling på den fjerde pinnen (TO-247-4L-pakken) som forbedrer strømtap og portstøy. Også tilgjengelig er en D2PAK–7L-konfigurasjon, som ytterligere reduserer pakkeparasitter i komponenter som NTBG028N170M1.

Snart kommer det en 1700 V 1000 mW SiC MOSFET i TO-247-3L og D2PAK-7L pakke for svært pålitelige hjelpestrømforsyningsenheter innen elbillading og fornybare applikasjoner.

Ved siden av MOSFET-ene har onsemi også utviklet en rekke 1700 V SiC Schottky-dioder. Med denne spesifikasjonen vil komponenter i D1-familien tilby mer spenningsmargin mellom VRRM og den høyeste repeterende reversspenningen til dioden. Spesielt vil de nye komponentene levere lavere VFM, maksimal foroverspenning og utmerket revers lekkasjestrøm selv ved høye temperaturer – slik at designere kan oppnå stabil høyspentdrift ved høye temperaturer.

De nye komponentene (NDSH25170A og NDSH10170A) er tilgjengelige i en TO-247-2L-pakke og som naken brikke, sammen med en 100 A-versjon som ikke er tilgjengelig pakket.

Forsyningskjedehensyn

Med komponenttilgjengelighet som hindrer forsyningskjeder i enkelte sektorer, er det svært viktig at når man velger nye komponenter/teknologier, må det tas hensyn til leveringsevnen. For å sikre pålitelig leveranse til kunder for å støtte rask vekst, kjøpte onsemi nylig opp GTAT. Ikke bare styrker dette forsyningskjeden, det lar også onsemi utnytte GTATs tekniske erfaring.

Foreløpig er onsemi den eneste storskalaleverandøren med ende-til-ende forsyningskapasitet, som inkluderer volum SiC boule-vekst (boule: enkrystallbarre produsert med syntetiske midler, red. anm.), substrat, epitaksi, komponentproduksjon, best-i-klassen integrerte moduler og diskrete pakkeløsninger.

For å støtte den forventede veksten i SiC i løpet av de neste årene, planlegger onsi å femdoble kapasiteten til substratoperasjoner og gjøre betydelige investeringer i å utvide selskapets enhets- og modulkapasitet til å dobles på tvers av alle anleggene innen 2023. Dette vil bli fulgt av nesten doble kapasiteten igjen innen 2024, med muligheten til å doble kapasiteten igjen i fremtiden.

Oppsummering

SiC tilbyr ytelse som vil tillate designere å møte behovene til utfordrende moderne applikasjoner, inkludert bilindustri, fornybar energi og industri – spesielt når det gjelder krafttetthet og termiske aspekter.

Mens teknologien fortsatt modnes, betyr konstant utvikling og fremskritt i viktige applikasjonssektorer at SiC også må utvikles for å møte disse økende behovene. Et eksempel er kravet om høyere gjennomslagsspenninger som onsemi har møtt med deres nye 1700 V SiC MOSFETer og dioder. I tillegg utvikler onsemi for tiden en 2000V SiC MOSFET-teknologi for å støtte nye applikasjoner som Solar, Solid state transformator og eCircuit breaker (elektronisk sikring).