Power MOSFETs av kiselkarbid

Kiselkarbid (SiC), ett halvledarmaterial med extremt brett bandgap, blir alltmer populärt som komponent i industriella spänningsomvandlare. SiC tål högre temperaturer och spänningar än kisel; den tyska tillverkaren Danfoss driver ett SiC Center of Excellence som består av kontor och ett 600 m2 stort labb för utveckling och testning av krafthalvledare.

SPT-test jämförde kopplingsegenskaperna hos SiC-IGBT med dem hos traditionella Si-IGBT, vilket visade att SiC-IGBT kunde förbättra effektiviteten och hårdkopplingsbeteendet.

Effektivitet

MOSFET:er av kiselkarbid (SiC) har lägre switchförlust än motsvarande MOSFET:er av kisel (Si), vilket ger högre effektivitet och minskade värmeförluster. Dessutom kan SiC-enheter arbeta vid högre temperaturer och spänningar jämfört med traditionella kiselenheter - vilket gör dem till det perfekta valet för industriella kraftomvandlare.

SiC IGBT är transistorer som tillverkas med IGBT-teknik (Insulated Gate Bipolar Transistor) och som ger hög ingångsimpedans och strömtäthet - idealiska egenskaper för högfrekventa effektomvandlare. Dessutom minskar deras lägre RDS(ON)-spänningsfall än kisel-MOSFETs parasitförluster och ökar switchningsprestandan, vilket förbättrar prestandan avsevärt.

SiC-IGBT:erna överträffar traditionella kiselkretsar genom att kunna växla med dubbelt så hög växlingshastighet med mycket lägre strömkapacitet, vilket ger snabbare och effektivare omriktardrift och minskar kondensatorstorleken, vilket sparar både utrymme och vikt i en omriktare - särskilt viktigt när de används för att driva flygplanens markkraftverk.

Danfoss har lanserat en kraftmodul av kiselkarbid som är avsedd för motorstyrning från likström till växelström och som ska ge maximal effektivitet och tillförlitlighet för applikationer som e-mobilitet, solcellsväxelriktare och andra användningsområden. Modulen är konstruerad med högkvalitativa SiC-halvledare som leder elektricitet mer effektivt än konventionella halvledare - vilket bidrar till lägre energikostnader, mindre växelriktare och att kostsamma kylsystem helt kan elimineras.

Kopplingsegenskaper

Kiselkarbid (SiC) är en sammansatt halvledare med brett bandgap som kan arbeta vid höga temperaturer och spänningar. Dopad n-typ med kväve eller fosfor och dopad p-typ med beryllium, bor, aluminium eller gallium kan ge egenskaper av antingen p- eller n-typ beroende på dopningstyp; beryllium kan t.ex. också tillsättas som dopningsmedel i applikationer med hård koppling. Det tyska företaget Semikron Danfoss genomförde tester för att jämföra kopplingsegenskaperna mellan SiC-kraftbrytare jämfört med traditionella bipolära transistorer med isolerad gata (IGBT); resultaten visade att SiC-enheter var effektivare i applikationer med hård koppling.

Forskargruppen använde ett standardtestsystem för att bedöma SiC-IGBT-modulernas effektivitet och detaljerade hårdkopplingsbeteende, och testade både testbaserade system med en puls och trefassystem. Minst 77% effektivitet observerades i enpulstestapplikationer medan upp till 92% effektivitet kunde uppnås i AGPU-system med sex växlar.

Hybridströmställare kombinerar fördelarna med unipolära och bipolära enheter för att öka effektiviteten i högspänningsapplikationer. De har låg transkonduktans och kan växla samma spänning vid högre frekvenser än IGBT:er för att minska de totala effektförlusterna i systemen, vilket gör hybridswitchar till en utmärkt lösning för AC-DC-omvandlare med begränsat utrymme och färre kringkomponenter. Deras minskade storlek ger lägre energiförluster, vikt, volymkrav för kondensatorer, nätverksförluster samt att de kan dimensioneras enligt krävande specifikationer, vilket gör att de kan användas i ett större antal applikationer än enbart IGBT:er.

Kostnad

Kiselkarbid (SiC) har snabbt vuxit fram som en attraktiv halvledarlösning med brett bandgap för kraftelektronik för användning i 2000-talets applikationer, vilket ger övertygande ägandekostnader över livstidsjämförelser med kiselbaserade enheter och många andra fördelar; inklusive dess tunnare enhet med samma genombrottsspänning som ger minskat motstånd per ytenhet.

SiC:s lättare passiva komponentvolymer möjliggör mindre system när det gäller storlek och viktbesparingar, med minskade energiförluster, förbättrad effektivitet, ökad tillförlitlighet och betydligt lägre krav på systemstorlek/vikt. SiC MOSFETs har snabbt blivit mainstream bland inverterapplikationer för elfordon (EV) med betydande marknadspenetration; dessutom är de alltmer tillgängliga som bare die-enheter, vilket ger tillverkarna möjlighet att skapa anpassade invertermoduler.

SiC:s höga switchfrekvenser och låga effektförluster gör att den kan ge högre energitäthet i systemet. För att maximera denna fördel måste man dock ta hänsyn till både filter- och kylflänsvolymerna samt balansen mellan omvandlarnas switchfrekvens och verkningsgrad för att optimera dessa volymer.

Kostnaderna för SiC-substrat är fortfarande den största faktorn bakom de totala kostnaderna och uppväger bidragen från epitaxi, tillverkning och utbyte. Hybridmoduler som CoolSiC kan dock hjälpa till att överbrygga detta gap genom att kombinera IGBT:er med SiC-dioder.