SiC- och GaN-halvledare levererar för kraftelektronik

Kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) håller på att bli det främsta valet för WBG-tekniken (brett bandgap) för nästa generations strömkonstruktioner i elfordon, strömförsörjningar för industriellt bruk och solenergisystem. Nu ska vi ta en snabb titt på vad som händer och varför WBG-tekniker kan utgöra en alternativ väg framåt, när vi ser på några avancerade WBG-lösningar som tar oss dit vi ska.

Från hybrid- och elfordon till datacenter och kraftelektronik för försvarsindustrin – SiC- och GaN-halvledarmaterial har utvecklats till ett livskraftigt alternativt för att förbättra effektomvandling och energibesparingar i kraftelektronik med högspänning.

Till exempel har drivlineväxelriktare i elfordon länge förlitat sig på kiselbaserade IGBT:er men designers av elfordon använder sig allt oftare av SiC MOSFET-enheter som drivs i högre frekvenser och är lämpliga för tillämpningar med hög överslagsspänning. Som ett resultat ser vi en start tillväxt för SiC-enheter i hybrid- och elfordon med tillgängligheten av SiC Schottky-celldioder (SBD:er), SiC MOSFET, SiC JFET och andra SiC-diskreta. Nästa logiska steg vi kan förvänta oss är släppet av fullständiga SiC-moduler.

GaN-halvledare utlovar lägre kostnad och är enklare att tillverka jämfört med SiC-skivor, och de närmar sig SiC-volymerna. Tillsammans med fordonskonstruktioner som växelriktare håller GaN-enheter på att bli populära i DC/DC-omvandlare i datacenter, strömförsörjning för högspänning och kraftelektronik för försvarsindustrin.

SiC: Högre effekttäthet och bättre tillförlitlighet

SiC-material har en brett bandgap på 2,86 elektronvolt (eV)¹, så de har en högre termisk konduktivitet jämfört med kisel, 1,11 eV. De kan därför driva högspänning för högeffektstillämpningar. Deras förmåga att ge högre effekttäthet, hållbarhet och tillförlitlighet gör dem lämpliga för effektomvandlingssystem för fordonselektrifiering, solcellsdrivna växelriktare och andra högeffektstillämpningar.

Till exempel är SiC MOSFET-enheterna i E-serien från Wolfspeed, ett Cree-företag, optimerade för batteriladdare för elfordon och DC/DC-högspänningsomvandlare. E-serien är baserad på Wolfspeeds tredje generation Rugged Planar-teknik och finns i företagets referensdesign för dubbelriktad onboard-laddare på 6,6 kilowatt (kW).

Wolfspeed positionerar SiC MOSFET-enheterna i E-serien som enheter med branschens lägsta omkopplingsförulster och högsta godhetstal. Och de har en så låg R_DSon som 65 milliohm (mΩ) så godhetstalet, som tar hänsyn till effektförlusterna och de termiska begränsningarna för WBG-strömenheter, kan mycket väl vara nära eller på toppen när detta skrivs.

Dessutom följer dessa SiC-enheter HV-H3TRB-klassificeringen för solenergisystem som drivs i extremt tuffa miljöer. De följde standard vid 80 procent av märkblockspänningen i en miljökammare vid en konstant 85 ⁰C omgivningstemperatur med 85 procent relativ luftfuktighet.

Rohm Semiconductor har också tillgängliggjort den tredje generationen av företagets SiC SBD:er i olika strömstyrkor och paket. SBD:erna förbättrar betydligt Vf-egenskaperna och ger högre stötströmmotstånd och mindre läckage. Till följd av det kan enheterna ha en en lägre omkopplingsförlust än kiselsnabbåterhämtningsdioder (SiFRD:er).

Dessutom har Rohm släppt kraftmoduler som integrerar SiC MOSFET-enheter och SBD:er i ett industristandardpaket (figur 1).

Figur 1: Mycket reducerad R_DS(ON) är en huvudanledning till att kraftmoduler som använder tredje generationens SiC MOSFET-enheter har mindre omkopplingsförluster. (Bildkälla: Rohm Semiconductor)

Full-SiC halvbryggekraftmoduler har betydligt lägre omkopplingsförluster än konventionella IGBT-moduler och tillåter högfrekvensdrift över 100 kHz.

GaN: Mindre och snabbare än kisel

GaN ger ett ännu större bandgap på 3,4 eV och dubbelt så stor elektronrörlighet jämfört med kisel. Dessutom ger de strömkollapsfria egenskaperna hos GaN-enheter mindre storlek och förbättrar effektiviteten för effektomvandlingssystem.

Ta till exempel EPC:s EPC2206-enhet (figur 2). EPC2206 är en del av eGaN^® FET-familjen och riktas mot fordon som använder en 48 V kraftdistributionsbuss för att underlätta funktioner som elektrisk start/stopp, elektrisk styrning, elektronisk upphängning och luftkonditionering med variabel hastighet. EPC2206 eGaN FET-enheter tillhandahålls endast i passiviserad insatsform med lödstänger. Insatsstorleken är 6,05 x 2,3 mm.

Figur 2: EPC2206 eGaN FET-enheter tillhandahålls endast i passiviserad insatsform med lödstänger. Insatsstorleken är 6,05 x 2,3 mm. (Bildkälla: EPC)

EPC:s EPC2100 GaN-halvbryggetransistorer är också en del av eGaN FET-familjen (figur 3, överst). För att förenkla integreringen av ström-FET i omvandlarkonstruktioner har EPC också tillgängliggjort utvecklingskortet EPC9036 (figur 3, nederst).

Figur 3: GaN-halvbryggetransistorn EPC2100 levereras i passiviserad insatsform med lödbollar (överst). Den har måttet 6,05 x 2,3 mm. Två av dem är placerade parallellt på EPC9059-utvecklingskortet (nederst). (Bildkälla: DigiKey)

EPC9036-utvecklingskortet har två 30 V EPC2100 eGaN IC-kretsar parallellt med en onboard-gatedrivare för högre utgångsström. Det har alla kritiska komponenter och layout för optimala omkopplingsprestanda.

Och så finns Transphorm, som lanserade den första AEC-Q101-kvalificerade GaN-transistorn för fordonsindustrin 2017. Enligt Transphorm ger företagets GaN FET-enheter för högspänning dig väl tilltaget termiskt utrymme vid utvecklingen av ett kraftsystem. Dess TP65H035WSQA och tredje generationens AEC-Q101-kvalificerade GaN-enhet och har utökat FET-enhetens termiska gräns till 175 °C. Det är 25 °C större än AEC-Q101-kvalificerade kisel-MOSFET för högspänning.

Lösningarna ovan visar att SiC- och GaN-kraftenheter har utvecklats helt kommersiellt. Då de fortsätter att hantera kritiska designutmaningar inom viktiga tillämpningsområden kommer såväl volym som användbarhet att öka, vilket kommer att hjälpa till att föra dem närmare sina kiselmotsvarigheter när det gäller direkt ersättning.

Referenser:

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1