SiC Power Semiconductor för elbilar

Genom att integrera SiC-strömförsörjningsenheter i elfordon ökar deras effektivitet och prestanda samtidigt som kostnaderna minskar, vilket leder till längre körsträcka, minskad oro för räckviddsångest och en snabbare övergång till eldriven mobilitet.

SiC-krafthalvledare erbjuder också högre switchfrekvenser som gör det möjligt att använda mindre magneter och värmehanteringsenheter för att minska BOM-kostnaderna och de totala systemkostnaderna.

Snabbare omkopplingshastigheter

Halvledarteknologier med brett bandgap, som SiC (kiselkarbid), ger större elektrisk fältstyrka än kisel för nästa generations kraftelektronik, vilket ger mindre storlek, lägre vikt och lägre kostnader - vilket ger "grönare" lösningar än någonsin tidigare.

Kiselkarbidens hexagonala kristallmorfologi ger den en exceptionell termisk stabilitet, vilket gör den till ett idealiskt halvledarmaterial för kraftelektronikapplikationer i tuffa miljöer, t.ex. solcellsinverterare, vindkraftverkskonverterare och nätanslutna energilagringsapplikationer. På grund av kiselkarbidens långa livslängd och hållbarhet driver den också på användningen av förnybar energi genom solcellsinverterare, vindkraftverkskonverterare och nätanslutna energilagringsapplikationer.

SiC MOSFETs kan innebära utmaningar på grund av deras snabbare kopplingshastighet. Beroende på kretsens utformning kan snabb omkoppling skapa VDS-spikar och långa ringtider som minskar enhetens marginal för att hantera spänningsstörningar från blixtnedslag, plötsliga belastningsändringar eller parasitiska kretsinduktanser - vilket leder till bristande överensstämmelse med EMI-krav och ökade effektförluster som begränsar enhetens prestanda och till och med kan upphäva garantin. För att hantera dessa effekter på ett framgångsrikt sätt måste man tillämpa bästa praxis.

Lägre ON-resistans per ytenhet

Tillverkarna har gjort stora framsteg när det gäller att optimera RDS(ON) för Si krafthalvledare genom åren, men framstegen har varit små. SiC-enheter erbjuder betydligt lägre ON-motstånd per yta för mindre passiva komponenter och kan därmed erbjuda betydande fördelar när det gäller optimering.

Den dielektriska fältstyrkan och bandgapsbredden är betydligt större i kisel än i germanium, vilket ger ett tunnare driftlager och lägre påslagningsresistans per enhetsyta vid motsvarande spänning.

Eftersom IGBT-transistorer (Insulated Gate Bipolar Transistors) använder minoritetsbärare för att uppnå höga spänningar måste de generera en svansström när de stängs av för att förhindra ansamling av minoritetsbärare i driftlagret och begränsa högfrekvensdrift. Detta ökar switchförlusterna samtidigt som det begränsar högfrekvent drift.

SiC MOSFETs kan uppnå mycket högre motståndsspänning med betydligt minskat ON-motstånd tack vare sina snabbare kopplingshastigheter, vilket gör passiva komponenter som induktorer och transformatorer mindre, vilket ytterligare sänker systemkostnaden. Tillverkarna har uppmärksammat dessa fördelar och använder i allt högre grad SiC-enheter i den nya generationens kraftelektronikkonstruktioner. Enligt branschbedömningar kommer den totala marknaden för SiC-enheter att uppgå till $6,3 miljarder dollar 2027, med Wolfspeed, STMicroelectronics, onsemi och Rohm som ledande aktörer.

Hög effektivitet

Högeffektiva nätaggregat är en integrerad del av industriella applikationer och datacenter för att minska värmeutvecklingen och samtidigt stödja motorstyrningar, laddningsstationer för elbilar och utökad räckvidd. Högre spänningar möjliggör dessutom effektivare drift inom motorstyrningar för effektiv drift samt stöd för snabbare batteriladdning för längre batteritid och snabbare laddningsprocesser.

SiC MOSFETs framstår som en attraktiv lösning tack vare deras lägre on-resistans (jämfört med konventionella kiselkrafttransistorer av jämförbar storlek) och överlägsna energikonduktivitet, vilket möjliggör högre switchfrekvenser utan prestandaförlust eller effektförluster till följd av deras användning, vilket leder till lägre totala effektförluster i systemet samt mindre magnetiska enheter för mer kompakta konstruktioner.

SiC:s ökade densitet bidrar också till minskad värme och förbättrad tillförlitlighet för längre livslängd för enheterna. Tack vare dessa egenskaper är SiC ett perfekt materialval för krävande uppdragskritiska applikationer som robusta nätaggregat eller militära enheter.

Lägre effektförluster

Effekthalvledare kräver material med tillräcklig strömhanteringsförmåga i off-state samtidigt som hög spänning bibehålls, så att enheterna inte bryts ned eller genererar överskottsvärme. Kiselkarbid är perfekt för den här tillämpningen tack vare sin unika atomstruktur som gör att den klarar högre spänningar tio gånger högre än vad kisel klarar samtidigt som dess värmeledningsförmåga är dubbelt så hög som kiselmotsvarighetens, vilket hjälper din enhet att sprida värme mer effektivt.

Transistorer och dioder med låg on-resistans är fördelaktiga för kraftelektroniken, eftersom det innebär lägre resistansnivåer för dessa komponenter och större energibesparingar och minimering av spillvärme, samt högre tillförlitlighet för applikationer som laddningsstationer för elfordon.

SiC-krafthalvledare kan hjälpa användarna att uppfylla sina mål för ett grönare energilandskap med ökad effektivitet och tillförlitlighet, oavsett om det innebär att öka produktionen av förnybar energi eller revolutionera kraftförsörjningen för mellanspänning - dessa kraftfulla enheter har förmågan att göra ett imponerande uttalande om kraftelektronikteknik.

Lägre kostnad

Kisel (Si) har länge dominerat krafthalvledarindustrin, men dess gränser håller snabbt på att nås inom viktiga områden som temperatur-, spännings- och frekvenskrav. Material med brett bandgap, som SiC och GaN, erbjuder mer tillförlitliga alternativ.

SiC-enheter har lägre RDS(ON)-förhållanden mellan dränering och källa än jämförbara material, vilket möjliggör högre switchfrekvenser i elfordons inverterare och motorstyrsystem, vilket leder till förbättrad accelerationsprestanda och snabbare laddning av batterier - vilket gör fordonet mer praktiskt och attraktivt som transportalternativ.

Wolfspeed, Infineon, STMicroelectronics GT Advanced Technologies (nu en del av onsemi) och Rohm erbjuder för närvarande SiC MOSFETs, medan kit från företag som Arrow Electronics gör det möjligt för systemkonstruktörer att utvärdera denna teknik med grinddrivrutiner, strömsensorer och mer plug-and-play. Konstruerade SiC-substrat kan så småningom nå produktionsmognad, men detta kan försena tillväxten på elbilsmarknaden tills sådana investeringar kan göras;