Kiselkarbidtransistorer har snabbt vunnit mark i kraftelektronikapplikationer som kräver halvledarkomponenter med högre spänning, tack vare flera viktiga egenskaper som gör att de kan ge prestandanivåer som inte uppnås med komponenter tillverkade av andra material.
Kiselkarbid är ett starkt material med halvledaregenskaper med brett bandgap. Det bildas genom att kisel och kol kombineras med starka kovalenta bindningar för att bilda detta robusta ämne.
Hög elektrisk fältstyrka vid nedbrytning
Kiselkarbid är ett sammansatt halvledarmaterial med en högre elektrisk fältstyrka vid genombrott än kisel. Det gör att det kan användas under förhållanden där andra halvledarmaterial inte kan användas, vilket gör det till en attraktiv kandidat för kraftelektroniktillämpningar.
Även om ren kiselkarbid fungerar som en elektrisk isolator kan den fås att leda elektricitet genom kontrollerad tillsats av föroreningar som aluminium-, bor- och galliumdopanter som skapar P- och N-typområden som är nödvändiga för tillverkning av komponenter. Som ett resultat har dessa enheter bredare driftspänningsintervall än sina traditionella IGBT- och bipolära transistorer.
Kiselkarbid har inte bara hög spänningskapacitet utan också ett brett driftstemperaturområde och utmärkt värmeledningsförmåga, vilket gör den lämplig för switchapplikationer i höga temperaturer. Dessutom har kiselkarbid ett tre gånger bredare bandgap jämfört med kisel, vilket leder till lägre bärarkoncentration och bättre switchprestanda.
SiC MOSFETs skiljer sig avsevärt från sina motsvarigheter i kisel genom att de har lägre tillslagsmotstånd och switchförluster samtidigt som de är mycket effektiva, ger snabbare svarstider och ersättningsmöjligheter i olika kraftelektronikapplikationer. De kan ersätta IGBT:er och vanliga effekt-MOSFET:er i högfrekvensapplikationer och samtidigt hantera transienter på högre nivåer som annars skulle orsaka skador.
Drift vid hög temperatur
Kiselkarbidtransistorernas breda bandgap gör att de klarar högre driftstemperaturer än motsvarande kiseltransistorer, tack vare den breda förmågan att kanalisera elektroner. Höga temperaturer skulle annars tvinga elektroner ut ur ledningsbandet och orsaka strömmar som stör logikoperationer - ett problem som inte uppstår med kiselkarbidens breda bandgap som flyttar elektroner mer effektivt än i kiseltransistorer.
Forskare vid Case Western Reserve University genomförde nyligen ett imponerande experiment, där MOSFETs av kiselkarbid fungerade i mer än 105 timmar i en extremt varm ugn vid temperaturer nära 550 grader Celsius - vilket vida överträffar alla krav på lägsta driftstemperatur i de flesta kraftelektronikapplikationer.
Forskarna skapade en MOSFET med ett N-driftlager, ett N+-källområde, trench gate, metalldrain och matningselektroder samt ett N+-källområde; denna konfiguration kallas ofta plan DMOS-enhet. De genomförde sedan tester av negativa kantutlösta D-flipflopkretsar som upptäcker negativa transienter från en AC-signal och jämför dem med positiva för att skapa negativa kantutlösta D-flipflopkretsar som fångar negativa transienter som mäts mot positiva i realtid.
De fann att chipet fungerade exceptionellt bra under extrema förhållanden, med endast en bit som inte fungerade efter 95 timmars drift vid 470 grader Celsius. Detta tyder på att det skulle kunna användas i olika applikationer som kräver höga temperaturer - inklusive laddare för elfordon och utrustning som arbetar vid höga temperaturer.
Låga växlingsförluster
SiC-komponenter (Silicon Carbide) har blivit ett alltmer populärt val i viktiga kraftelektronikapplikationer, t.ex. växelriktare som omvandlar solceller till likström, industriella AC-DC-omvandlare för lagring av el och laddare för elfordon. Denna trend beror på SiC-komponenternas förmåga att hantera högre spänningar med lägre förluster än motsvarande komponenter tillverkade av traditionella kiselhalvledare, vilket ökar effektiviteten i kraftomvandlingssystemen avsevärt.
Ren SiC är en isolator, men när den dopas med föroreningar som aluminium, gallium eller bor blir den elektriskt ledande och kan leda elektricitet lättare. Dessa dopämnen kan sedan odlas på kiselsubstrat för att producera fälteffekttransistorer av kiselkarbid-metalloxid-halvledare (SiC MOSFET).
SiC MOSFETs höga elektriska fältstyrka vid genombrott gör dem idealiska för hårdkopplande topologier som LLC och ZVS, där enheter kopplas till och från vid höga frekvenser. SiC MOSFETs har dessutom låga switchförluster, vilket gör att konstruktörerna kan minska storleken på kondensatorer och induktorer i sina konstruktioner och samtidigt sänka de totala systemkostnaderna. Dessutom bidrar drift vid högre temperaturer till att minimera effektförlusterna samtidigt som systemeffektiviteten ökar.
Lång livslängd
Power-enheter av kiselkarbid (SiC) utmärker sig genom sin enastående livslängd och klarar högre temperaturer, spänningar och frekvenser än kiselbaserade halvledare - som ofta går sönder tidigt under vissa omständigheter - vilket gör dessa robusta enheter idealiska för hårda och resonanta kopplingstopologier som LLC och ZVS samt andra högpresterande kretsdesigner på grund av låga on-state-förluster samt energiomvandlingseffektivitet. Detta gör SiC-enheter mycket önskvärda.
SiC:s unika atomstruktur gör att det beter sig som ett alternerande halvledarmaterial med ett bandgap som är nästan tre gånger större än traditionella halvledare av kisel - vilket ger upphov till material med brett bandgap som SiC.
SiC är känt för sin värmeledningsförmåga och korta kylvägar, vilket leder till mindre effektförluster totalt sett. Den höga genombrottsspänningen gör det dessutom möjligt för konstruktörer att krympa enheter utan att kompromissa med prestanda eller tillförlitlighet.
Konventionella kiselkomponenter är fortfarande industristandard för kraftelektronik, men ökade krav från myndigheter på minskade utsläpp och den ökande populariteten för elbilar gör att företagen börjar utforska andra material som SiC och GaN, som har överlägsna egenskaper och som kan ersätta kisel i olika komponenter i elbilar.
Swedish 
English