Kiselkarbid eller SiC finns i olika elektroniska enheter, från dioder till MOSFETs. Dessa komponenter ger överlägsen prestanda jämfört med sina kiselekvivalenter.
IGBT:er av kiselkarbid med brett bandgap erbjuder många fördelar jämfört med mer konventionella IGBT:er, och i den här artikeln tittar vi närmare på dem som en lösning för högspänningskraft.
Kostnad
Halvledare av kiselkarbid (SiC) har flera fördelar jämfört med sina motsvarigheter av kisel, bl.a. högre blockeringsspänning, lägre on state-motstånd och ökad värmeledningsförmåga. Tack vare dessa egenskaper kan SiC MOSFET:er arbeta vid högre switchfrekvenser för minskad komponentstorlek, kostnad och förbättrad effektivitet - vilket gör dem lämpliga för högspänningsapplikationer som växelriktare för elfordon eller strömförsörjning för datacenter.
SiC produceras genom ett första steg av kristalltillväxt i en elektrisk ugn, på samma sätt som diamanter skapas. Även om den största delen av SiC-produktionen sker från moissanit som hittas i meteoriter eller korundfyndigheter och kimberlitgruvor, kan vissa små mängder också produceras syntetiskt i laboratorier.
Kiselkarbid ger en annan fördel jämfört med kisel: minskad temperaturvolatilitet. Medan RDSon hos kiselbaserade MOSFET:er kan förändras med mer än en storleksordning över ett temperaturområde, varierar SiC MOSFET:er typiskt sett bara bråkdelen över tiden, vilket möjliggör effektivare drift vid höga temperaturer utan att behöva använda dyra kyllösningar.
Den globala marknaden för MOSFETs av kiselkarbid förväntas uppgå till $4 miljarder år 2022 till följd av den ökande efterfrågan på förnybar energi och elfordon. Asien och Stillahavsområdet leder för närvarande denna bransch på grund av statliga incitament som stöder användning av elfordon och solcellsinstallationer.
Effektivitet
Effektkretsar av kiselkarbid har seglat upp som den nya guldstandarden för högpresterande kraftelektronik. De här enheterna används i många tillämpningar, bland annat i DC/DC-omvandlingssektioner i energiskördare och omriktare för elbilar, och de har högre effektivitet, högre effekttäthet och lägre energiförluster jämfört med motsvarande enheter med kiselhalvledare - vilket gör dem till ett utmärkt val för tillämpningar som kräver höga spänningsnivåer, t.ex. vind- eller solgeneratorer och datacenter.
Kiselkarbid (SiC) är ett halvledarmaterial med brett bandgap som produceras antingen i pulver- eller kristallform. Kiselkarbid finns naturligt som ädelstenen moissanit och kan också massproduceras som en hård kemisk förening för användning som slipmedel och keramiska plattor i skottsäkra västar; används också som smörjmedel och i karborundumtryck - en gammal konst som använder granulerade ytor - etc.
Tillverkare av effektomvandlare tvingades tidigare välja mellan gatekomplexitet och prestanda när de konstruerade sina enheter, men tack vare MOSFETs av kiselkarbid kan de nu utveckla högpresterande enheter utan att kompromissa med gatekomplexiteten - vilket gör att de kan konstruera effektmoduler som är upp till en tredjedel mindre med 50% lägre induktansförluster och spänningsförluster än sina motsvarigheter av kisel. De kan till och med switcha i upp till 72 kHz, vilket sparar både kostnader och utrymme i drivkretsar.
Säkerhet
Kiselkarbid (även kallad karborundum) är en halvledare med brett bandgap som först tillverkades kommersiellt som pulver och kristaller 1893 för användning som slipmedel. Idag används det också ofta för att tillverka hårda och sega keramer som används i bilbromsar och kopplingar, skottsäkra västplattor samt för att ge den värmeledningsförmåga som krävs för att tillverka speglar i teleskop som rymdteleskopen Herschel och Gaia.
IGBT:er av kiselkarbid klarar högre felströmmar än vanliga IGBT:er och MOSFET:er tack vare sin extremt höga UVLO, vilket gör att de kan fortsätta att fungera normalt under onormala kretsförhållanden som normalt skulle leda till överhettning eller katastrofala fel i andra enheter.
Tillämpningar
Kiselkarbid är ett exceptionellt mångsidigt halvledarmaterial med brett bandgap och många användningsområden inom en rad olika elektroniska apparater. Från krafthalvledare och omvandlare till lasrar, dess mångsidighet sträcker sig över många elektroniska applikationer. Tack vare sin höga kritiska genombrottsstyrka och driftstemperatur är kiselkarbid ett utmärkt materialval för applikationer som kräver mycket hög effekttäthet. Dess utmärkta mekaniska egenskaper gör det dessutom möjligt att tillverka stora skivor som lämpar sig för speglar till astronomiska teleskop.
IGBT:er av kiselkarbid kan öka effektiviteten genom att minska kopplingsförlusterna. De är också konstruerade för att arbeta under högre temperaturer än sina motsvarigheter i kisel, vilket gör dem lämpliga för elfordon och andra högspänningsapplikationer. Dessutom kan kiselkarbid-IGBT:er klara högre nivåer av transienter jämfört med traditionella IGBT:er, vilket ger större motståndskraft mot kortslutningsskador.
I den här studien jämfördes SiC-IGBTs och traditionella IGBTs i två växelriktare baserade på modulära halvbryggor som arbetar vid 800 V DC länkspänning. Resultaten visade att SiC-IGBTs överträffade traditionella IGBTs i både trefas- och enfas-experimentsystem; deras kopplingstider (spänningens stigtid och strömmens falltid), mätningar av överskottsström genomfördes med hjälp av ett handhållet multifunktionellt oscilloskop från MICsig samt Hantek UT201 klämmätare.
SiC-IGBT utvärderades också med avseende på dess fördröjningstid för avstängning, en viktig parameter för att bestämma varaktigheten för avstängningstransienten. Under detta experiment var dess avstängningsfördröjning betydligt lägre än för IGBT-enheter.
Swedish 
English