Kraftelektronik av kiselkarbid

Högspänning

Kiselkarbid (SiC) tål höga spänningar som är upp till tio gånger högre än kisel, vilket gör det till ett perfekt material för kraftelektroniktillämpningar. Dessutom bidrar SiC:s högre värmeledningsförmåga och elektronrörlighet jämfört med kisel till att minimera switchförlusterna. Tack vare dessa egenskaper arbetar SiC-dioder och -transistorer effektivare än sina motsvarigheter i kisel vid högre frekvenser utan att förlora i prestanda.

Traditionella bipolära enheter upplever betydande n-skiktsresistans när den applicerade spänningen överstiger deras genombrottsspänning. För att motverka detta kan p-dopning användas för att introducera minoritetsbärare i det tjocka n-skiktet och låta elektroner och hål med högre densitet än givardensiteten bidra till strömflödet och minska n-skiktets resistans vid drift med positiv förspänning.

Injektion av minoritetsbärare har visat sig vara mycket framgångsrikt när det gäller att avsevärt minska n-lagermotståndet i SiC-kraftkomponenter, vilket leder till högre spänningar, minskat påslagningsmotstånd och snabb drift - viktiga egenskaper hos effektiva kraftomvandlare som t.ex. de som finns i traktionsomvandlare för elfordon eller nätbildande sol- och energilagringssystem.

Därför använder allt fler tillverkare av kraftelektronik Schottky-dioder och MOSFET:er av kiselkarbid med märkspänningar på upp till 1200 V för att bygga fordonsladdare, nätverksbaserade solcellsväxelriktare, applikationer för snabbladdning av elbilar med likström och applikationer för snabbladdning med likström med stöd för högre drivspänning samt för att utöka elbilarnas räckvidd. Genom att använda dessa enheter får de mindre, lättare och mer kostnadseffektiva lösningar samtidigt som de stöder högre drivspänningar för förbättrad räckvidd för elfordon.

Hög frekvens

Kisel (Si, bandgap: 1,1eV) har länge ansetts vara det idealiska materialet för kraftelektronik. Si-baserad elektronik gör det möjligt att göra elektroniken mindre, snabbare och använda den vid högre temperaturer, spänningar och frekvenser än med andra halvledarmaterial.

De Si-baserade komponenterna börjar dock nå sin prestandatröskel på grund av de begränsningar som materialen medför. För att klara de höga spänningar som krävs i kraftapplikationer måste Si-kraftkomponenterna klara en betydande off-state-ström. Denna ström är vanligtvis försumbart liten i omvänt förspända dioder och transistorer, men om den elektriska fältstyrkan överstiger den kritiska genombrottsspänningen kan den snabbt öka och bli betydande.

På grund av dessa begränsningar har halvledare med brett bandgap, som galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC), som tål mycket högre elektriska fält, upplevt en snabb marknadsexpansion.

Kiselkarbid har fyra gånger högre värmeledningsförmåga än kisel, vilket ger snabbare kylning och minskad effektförlust. Därmed är kiselkarbidkomponenter väl lämpade för högfrekvensdrift.

Låg övertoner

Halvledaregenskaperna hos kiselkarbid (SiC) möjliggör höghastighetsväxling vid lägre spänningar för ökad energieffektivitet i DC/DC-omvandlare och AC/DC-växelriktare, vilket leder till mindre formfaktorer, drift vid högre temperaturer och minskad designkomplexitet - vilket resulterar i betydande kostnads- och viktminskningar för båda systemen.

SiC-enheter ger också betydligt mindre harmonisk strömförvrängning, vilket är en viktig faktor i industriella UPS-system. Distorsion av harmonisk ström orsakar irriterande utlösningar och fel som leder till ökade underhållskostnader och minskar systemets drifttid - något som UPS:er med ren kraft som använder aktiva filter med sammanslagna SiC Schottky-dioder effektivt kan undvika.

SiC används i allt högre grad i batterigränssnitt och motorstyrningar för elfordon på grund av sin överlägsna effekttäthet, effektivitet, kopplingshastighet och temperaturtolerans. Konventionella tekniker som IGBT (insulated-gate bipolar transistor) och MOSFET (silicon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) håller på att nå sina gränser i dessa applikationer.

Wolfspeeds 3300 V MOSFET:er i kiselkarbid ger upp till 30% lägre förluster och 15% besparingar jämfört med motsvarande MOSFET:er i kisel, vilket ger konstruktörerna större frihet att förbättra systemeffektiviteten, krympa formfaktorerna och arbeta vid högre temperaturer i krävande industriella applikationer, inklusive avbrottsfri strömförsörjning (UPS). En backup-UPS med SiC MOSFET kan erbjuda ännu bättre prestanda för kritiska användningsområden som industrimaskiner eller datacenter.

Schottky-dioder

Schottky-dioder har mycket lägre spänningsfall framåt jämfört med motsvarande dioder av kisel eller germanium, vilket beror på de olika arbetsfunktionerna mellan metall och halvledare. När dessa material kommer i kontakt med varandra bildas en energibarriär, den s.k. Schottky-barriären, vid övergången på grund av elektronmigration mellan materialytorna. Under framåtriktad förspänning börjar denna energibarriär att brytas ned, vilket gör att elektroner från metallerna lättare kan ta sig in i halvledarens ledningsband, vilket leder till strömflöde och likriktning. Dessutom är deras omvända återhämtningstid mycket snabbare, vilket gör att de kan växla mellan likriktande och icke-likriktande tillstånd mycket snabbare.

Den vänstra sidan av detta diagram visar metallkontakt medan den högra sidan visar dopat kiselhalvledarmaterial av n-typ, med olika energinivåer mellan de två materialen; Fermi-nivån i metall är relativt högre och nära ledningsbandet i halvledaren vilket gör att den fungerar som en anod medan halvledaren fungerar som katod; skillnaden i energinivåer skapar Schottkybarriären som tillåter elektroner från metallkontakt till halvledare utan att stoppas av isolator i utarmningsregion som förhindrar någon rörelse in i utarmningsregion som tillåter elektroner att flöda mellan dessa material utan att stoppas av isolatorer i utarmningsregion isolatorer i utarmningsregion isolator i utarmningsregion isolator som annars kan stoppa deras väg in i halvledarmaterial som orsakar utarmningsregion isolator från att komma in i utarmningsregioner.

Nexperia SiC är känt för att tillhandahålla Schottky-dioder för fordonsindustrin med branschens lägsta spänningsfall i framled och bästa prestanda för överspänningsströmmar för elfordonsapplikationer. Läckströmmen kan begränsas av rekombination av bärare vid gränssnitt; därför har Nexperia SiC utvecklat en hybridenhet som kallas Merged PiN Schottky (MPS)-diod som kombinerar Schottky- och traditionella p-n-dioder som är parallellkopplade, för att minimera läckströmmen och samtidigt bibehålla Schottky-diodernas utmärkta överspänningsprestanda.