Kraftelektronik baserad på kiselkarbid

Kiselkarbid, vanligen kallat SiC, är ett avancerat halvledarmaterial som kan arbeta vid mycket högre spänningar, temperaturer och frekvenser än traditionella kiselbaserade halvledare - vilket gör det lämpligt för kraftelektronik som elfordon, omvandling av solenergi och trådlösa 5G-applikationer.

Halvledaregenskaper med brett bandgap skiljer den från traditionellt kisel, vilket möjliggör snabbare överföring av elektrisk energi. Det finns alfa- och betapolymorfer med Wurtzite-kristallstruktur för alfapolymorf respektive zinkblendestruktur för betapolymorf.

Högspänning & hög temperatur

Kisel (Si) har länge varit den självklara halvledaren inom kraftelektronik, men branschtrender visar att man snart kan nå Si:s gränser när man arbetar med högre spänningar, temperaturer och frekvenser. Kiselkarbid (SiC) erbjuder en potentiell lösning på dessa utmaningar.

SiC kännetecknas av ett relativt smalt bandgap, vilket gör att elektroner lätt kan röra sig mellan valensbandet med lägre energi och ledningsbanden med högre energi utan att det medför onödiga energikostnader. Isolatorer har mycket bredare bandgap som kräver oöverkomliga mängder energi för att elektronerna ska kunna passera. Dessutom har SiC tio gånger högre elektrisk fältstyrka än kiselkretsar, vilket gör den bättre lämpad för högspänningsapplikationer än vanliga kiselkretsar.

Kiselkarbid ger inte bara överlägsen prestanda jämfört med kisel, det har också lägre drifts- och materialkostnader än Si-baserade lösningar - upp till 10% i vissa applikationer! SiC kan spara kostnader upp till 10%.

SiC-enheter tål mycket högre temperaturer än traditionella kiselkomponenter, vilket gör dem lämpliga för en rad olika högspänningsapplikationer. SiC är särskilt lämpat för användning i DC-DC-omvandlare som finns i elbilars växelriktare och ombordladdare, tack vare sin högre switchfrekvens som förbättrar effektiviteten samtidigt som parasitförlusterna minskar, vilket i slutändan sänker de totala systemkostnaderna avsevärt. Kombinationen av prestanda, effektivitet och lägre kylkostnader gör SiC till en integrerad komponent i uppbyggnaden av den globala infrastrukturen för förnybar energi och driver oss mot en koldioxidneutral framtid!

Låg spänning och låg temperatur

Kiselkarbid tål både höga spänningar och extrema temperaturer, vilket gör det till en integrerad komponent i många elektroniska apparater. Tyvärr har det vissa nackdelar: produktion i stor skala är svårt på grund av att det är ett av världens hårdaste ämnen - diamantspetsade blad måste användas för att skära det - vilket begränsar hur många kiselkarbidkomponenter som kan produceras samtidigt.

Dessa begränsningar åtgärdas genom isoleringslösningar som är utformade för att stödja kiselkarbidkonstruktioner som används på marknaden för elfordon, särskilt traktionsstyrda omriktare som driver batteridrivna bilar. Sådana lösningar kan öka körsträckan genom att förbättra energieffektiviteten och samtidigt minska storleken och vikten på inverterarsystemen.

Kraftkomponenter av kiselkarbid har flera tydliga fördelar jämfört med motsvarande komponenter av kisel när det gäller driftstemperaturer. Deras bredare bandgap gör att de kan arbeta vid högre temperaturer än sina kiselmotsvarigheter, vilket innebär minskade kopplingsförluster, energiförbrukning och värmeutveckling, vilket minskar kylbehovet i elfordon samtidigt som kostnaderna, storleken och vikten på de övergripande systemkomponenterna minskar.

Kiselkarbid har blivit en viktig komponent i modern elektronik, bland annat i växelriktare och laddare för elfordon (EV). Penn State presenterade nyligen initiativet onsemi Silicon Carbide Innovation Alliance, som ska fungera som ett nav för forskning och utveckling av arbetskraft inom detta framväxande område.

Hög effekt och hög effektivitet

Kiselkarbidens högspännings- och effektkapacitet revolutionerar elektronikindustrin genom att erbjuda bättre switchprestanda, energieffektivitet och värmehantering än motsvarande komponenter i kisel (Si). Detta har lett till omfattande teknikförändringar inom flera sektorer, t.ex. telekom, elfordon och växelriktare för solenergi.

Kiselkarbid i sin rena form fungerar som en elektrisk isolator; men med kontrollerad tillsats av föroreningar som kallas dopningsmedel eller dopningsmaterial som aluminium bor gallium och kväve som dopningsmedel kan omvandlas till ett halvledarmaterial för tillverkning av enheter. Aluminium-, bor-, gallium- och kvävedopningsmedel används ofta för att skapa P-typ- och N-typregioner som är nödvändiga för tillverkning av enheter. Tyvärr är detta material hårt och sprött, vilket gör det svårt att bearbeta det med traditionella tekniker; när det hanteras framgångsrikt producerar det dock delar med exceptionella precisionsnivåer!

GeneSiC-enheterna är speciellt konstruerade för att fungera under extrema temperaturer och strålningsmiljöer, samtidigt som deras låga on-state- och switchförluster bidrar till ökad effektivitet vid energiomvandling och minskad total systemkostnad och komplexitet.

SiC-enheter med höga driftstemperaturer gör det möjligt att undvika aktiva kylsystem i många applikationer, vilket avsevärt minskar komponentstorlek, vikt och den totala systemkostnaden. SiC har också högre värmeledningsförmåga än kisel för överlägsen temperaturstabilitet.

Låg bullernivå och låg strömförbrukning

Kiselkarbid är ett halvledarmaterial med brett bandgap, vilket innebär att dess egenskaper växlar mellan ledningsförmåga och isolering beroende på föroreningsnivåerna i dess sammansättning. När det dopas med aluminium-, bor-, gallium-, kväve- eller fosforföroreningar producerar det halvledarregioner av P-typ och N-typ för tillverkning av enheter över breda spänningsintervall.

SiC-kraftkretsar har snabbare växlingshastigheter än sina motsvarigheter i kisel, vilket bidrar till att minska energiförlusterna under effektomvandlingen. Deras förmåga att klara höga temperaturer förbättrar också effektiviteten i elektroniska system, vilket leder till minskad strömförbrukning och mindre produktstorlekar.

Övergången till förnybar energi och elfordon har ökat efterfrågan på energieffektiva kraftkomponenter, och kiselkarbidkomponenter (SiC) har lett utvecklingen med sin exceptionella prestanda och effektivitet och revolutionerat kraftelektroniken.

SiC bare die och MOSFETs för kraftapplikationer är relativt nytt, men dess unika fysiska och elektriska egenskaper revolutionerar kraftelektroniken. SiC ger många fördelar jämfört med traditionella halvledarmaterial vid högre temperaturer, spänningar och frekvenser, vilket gör det till det perfekta materialet att använda i växelriktare för elfordon, DC/DC-omvandlare och offboard-laddare.

SiC är känt för sin överlägsna effektförlust och högtemperaturkapacitet, vilket gör det lämpligt för tillförlitlig drift under krävande förhållanden. MOSFET:er i SiC tål drift vid förhöjda temperaturer utan att prestandan försämras och kan ofta förbli i drift även i fientliga miljöer där andra halvledare skulle gå sönder.