Kiselkarbid och kraftelektronik

Kiselkarbid (SiC) är en hållbar kemisk förening av kisel och kol som har halvledaregenskaper med brett bandgap för elektronikenheter med högre spänning.

SiC MOSFETs har tre gånger lägre ON-motstånd och höghastighetsprestanda jämfört med minoritetsbärare som bipolära transistorer i kisel, vilket leder till förbättrad spänning, effekttäthet och temperaturkapacitet. Detta ger högre spänningstålighet, effekttäthet och temperaturtolerans.

Hög effekttäthet

Effekttätheten i strömförsörjningskonstruktioner avgörs ofta av prestandan hos de halvledarkomponenter som används för att driva omvandlare och inverterare. Kisel (bandgap: 1,1eV) ansågs en gång i tiden vara ett optimalt material för högpresterande transistorer, men i takt med att konstruktionerna utvecklas mot högre drifttemperaturer, frekvenser och spänningar börjar SiC:s begränsningar bli tydliga. Här kan halvledare med brett bandgap, t.ex. SiC, komma in i bilden.

SiC:s bredare bandgap på 3,3 eV gör att fler elektroner kan migrera från valensbandet till ledningsbandet, vilket gör det till en mer effektiv halvledare än kisel. Dessutom möjliggör detta tunnare driftlager, vilket avsevärt minskar resistansen per area och ökar tåligheten mot spänningar samtidigt som ON-resistansen minskar med temperatur- och strömfluktuationer.

SiC:s högre kritiska elektriska fält - ungefär 10 gånger högre än för kisel - gör att bipolära enheter tillverkade av SiC kan ha betydligt tunnare och lättare n-lager, vilket leder till induktorer och kondensatorer med mindre formfaktor som kräver mindre utrymme för kylning, vilket ytterligare ökar effekttätheten. En sådan isolerad DC/DC-förspänningsenhet från Texas Instruments, UCC12050, kan leverera 500 mW isolerad effekt i ett 2,65 mm brett SOIC-chassi; ingenjörer kan konstruera mindre och lättare nätaggregat som passar för olika tillämpningar, t.ex. batteriladdning av elfordon med snabbare effektomvandling tack vare SiC-transistorernas höga switchfrekvens, vilket ger snabb effektomvandling och därmed högre energieffektivitet.

Motståndskraft mot höga temperaturer

SiC:s förmåga att motstå höga temperaturer gör det till ett utmärkt materialval för många kraftelektronikapplikationer som kräver tillförlitlig prestanda i extrema temperaturer. SiC:s högre temperaturtålighet ger förbättrad värmeavledning, vilket bidrar till att minimera effektförlusten från kylflänsar samtidigt som enheternas livslängd ökar i utmanande termiska miljöer.

SiC-kisel ger exceptionell kryp- och korrosionsbeständighet jämfört med andra halvledarmaterial, vilket gör det lämpligt för användning i högtemperaturapplikationer där stabilitet är avgörande, t.ex. raketmunstycken, motorer för elfordon eller gasturbiner.

SiC:s överlägsna elektriska fältstyrka vid genombrott ger högspänningsenheter högre motståndsspänning och lägre påslagsmotstånd jämfört med kisel, på grund av det mycket tunnare driftskiktet och den högre föroreningskoncentrationen. Därför kan majoritetsbärarkomponenter som Schottky-barriärdioder och MOSFET:er konfigureras för att erbjuda denna höga motståndsspänning med reducerat ON-motstånd över ett brett temperaturområde.

SiC:s breda bandgap möjliggör högre switchfrekvenser med minskade switchförluster för högre energieffektivitet i mindre förpackningar - vilket skapar nya möjligheter inom komponentdesign.

Hög värmeledningsförmåga

SiC:s höga värmeledningsförmåga gör att den kan avleda värme som genereras av halvledarenheter och andra elektroniska enheter, vilket gör den till en oumbärlig del av kraftelektroniken. Dess förmåga att klara högre temperaturer gör den dessutom idealisk för kraftgenerering i flyg- och rymdapplikationer som högpresterande jetmotorer och missiler.

SiC är en organisk halvledarförening med ett elektroniskt bandgap som är betydligt större än kisels (1,1eV). Detta stora gap gör att mer ström kan flöda vid en lägre spänning och förbättrar kopplingshastigheten och tillförlitligheten - vilket gör SiC till ett attraktivt alternativ för att ersätta kisel i högtemperaturapplikationer.

PFA-beläggningar har utmärkt motståndskraft mot korrosion, oxidation, slitage och brott även vid förhöjda temperaturer, vilket gör dem lämpliga som korrosionsskydd på ståldelar, medicinska implantat och fordonskomponenter som bromsrotorer och mekaniska tätningar.

SiC finns i olika former, från CVD och reaktionsbunden polykristallin, till enkristallin 3C-SiC tillverkad genom kemisk ångdeposition; dess höga renhet gör den till ett överlägset alternativ till sintrade och reaktionsbundna kvaliteter som vanligtvis har låg renhet och varierande atomär sammansättning.

Hög stabilitet

Kiselkarbid (SiC) är ett syntetiskt framställt hårt material som består av en kombination av kisel och kol, förkortat SiC. SiC är det tredje hårdaste ämnet på jorden efter diamant och borkarbid, och dess förmåga att motstå höga temperaturer, kemiska och termiska chocker samt mekanisk stress gör det lämpligt för avancerade tekniska och industriella applikationer som kräver extrem hållbarhet och motståndskraft.

Sic-kisels exceptionella stabilitet kan hänföras till dess kristallstruktur i diamantkubisk form där hälften av kolatomerna har ersatts av kiselatomer. Denna gitterstruktur är känd för att ge överlägsen fononisk värmeledningsförmåga på grund av att den har liknande atomradier som gör det lättare att sprida fononer; i kombination med dess 10 gånger högre elektriska fältstyrka än kisel gör sic silicon det lättare att skapa kraftanordningar med högre spänning än att använda vanliga kiselbaserade enheter.

Semikron Danfoss i Tyskland har utvecklat en process för att förbättra kommersiellt tillgängliga bor-dopade SiC-fibrer med liten diameter som förbättrar deras termostrukturella prestanda och miljöbeständighet, stärker enskilda fibrer samtidigt som vävspänningarna vänds, så att de lättare kan formas till önskade former. Tester visar att dessa förbättrade fibrer har utmärkt drag-, kryp- och brotthållfasthet upp till 2700degF samt avsevärt ökad motståndskraft mot termisk nedbrytning.