Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Elektronika mocy - oczy zwrócone ku półprzewodnikom szerokoprzerwowym

ghost666 30 Lis 2019 13:16 573 0
  • Elektronika mocy - oczy zwrócone ku półprzewodnikom szerokoprzerwowym
    Poszukiwanie bardziej wydajnych materiałów elektronicznych do produkcji urządzeń mocy i znajduje się na czele działalności badawczo-rozwojowej w sektorze półprzewodnikowym. Niski koszt i szeroka dostępność krzemu pozwoliły mu wyprzedzić wiele lat temu german jako dominujący materiał półprzewodników dla układów mocy. Dziś jednak krzem schodzi z podium i powoli zaczyna, ustępować w urządzeniach energetycznym , elementom wykonanym z materiałów takich jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), co pozwala na zwiększenie sprawności systemów energetycznych.

    Te wysoce innowacyjne materiały należą do rodziny półprzewodników szerokopasmowych. Niezwykłe właściwości fizyczne i elektryczne tych materiałów sprawiają, że są one naturalnym wyborem, aby sprostać wymaganiom wydajnościowym w aplikacjach o wysokiej częstotliwości, i wysokiej mocy czy temperatury roboczej, a także rosnącym wymaganiom dotyczącym szybszego, wysokowydajnego przełączania o niskich stratach w kompaktowej obudowie.

    Najnowsze prognozy analiz rynkowych dla urządzeń szerokoprzerwowych szacują łączną roczną stopę wzrostu na poziomie około 30% w ciągu najbliższych 10 lat, zwiększając globalną wartość sprzedaży do 3,7 miliardów dolarów w 2025 r. (w porównaniu z 210 milionami dolarów w 2015).

    Charakterystyka półprzewodników szerokoprzerwowych i ich zastosowania w elektronice

    Właściwości fizyczne i elektroniczne materiałów o szerokiej przerwie energetycznej determinują właściwości funkcjonalne i użytkowe zbudowanych z nich urządzeń półprzewodnikowych mocy. Z fizycznego punktu widzenia wszystkie materiały półprzewodnikowe mają elektrony, które albo są związane z jądrem elementu, albo mogą się poruszać na wyższym pasmie energetycznym (odpowiednio jest to pasmo walencyjne i pasmo przewodzenia). 'Luka' energetyczna między pasmami walencyjnym i przewodzącym jest niezbędnym parametrem fizycznym, który potrzebny jest do definiowania parametrów półprzewodnika szerokopasmowego. Ogromne pasmo wzbronione przez omawianych tutaj materiałach przekłada się na większe pole elektryczne potrzebne do wystąpienia przebicia oraz zdolność do pracy w wyższej temperaturze temperaturze jak i niższą podatność na promieniowanie.

    Krzem ma przerwę energetyczną równą 1,12 elektronowolta; arsen galu, 1,4 eV; węglik krzemu, 2,86 eV; i azotek galu, 3,4 eV. Wraz ze wzrostem temperatury energia cieplna posiadana przez elektrony w paśmie walencyjnym odpowiednio wzrasta, co powoduje, że przechodzą one z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Temperatura ta wynosi dla krzemu 150°C. W przypadku półprzewodników o większej przerwie energetycznej temperatura ta jest odpowiednio wyższa. Oznacza to, że układy, wykonane z tych materiałów, mogą poprawnie pracować w znacznie wyższych temperaturach niż urządzenia krzemowe.

    Dodatkowo, wyższa ruchliwość nośników w SiC i GaN w porównaniu z krzemem umożliwia urządzeniom zbudowanym z tych materiałów działanie przy wyższych prędkościach przełączania (wyższej częstotliwości). Szerokopasmowe materiały półprzewodnikowe pozwalają na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej (dzięki redukcji strat mocy), ale też na stworzenie mniejszych i prostszych systemów. Dzięki zmniejszonemu poziomowi rozpraszanej mocy, możliwa jest instalacja mniejszych radiatorów, a dzięki wykorzystaniu wyższych częstotliwości zredukować można wielkość elementów indukcyjnych i pojemnościowych np. w przetwornicach impulsowych. Pozwala to więc na redukcję tak kosztów zakupu jak i eksploatacji urządzeń z tego rodzaju urządzeniami półprzewodnikowymi.

    Producenci elementów szerokoprzerwowych

    Firmy, takie jak Infineon Technologies, NXP Semiconductors i STMicroelectronics, wykorzystują materiały o szerokiej przerwie energetycznej w celu stworzenia nowych elementów elektronicznych o wysokiej mocy i wysokiej częstotliwości pracy. Dedykowane są one do zasilania pojazdów elektrycznych, optoelektroniki jak i innych zastosowań, w których urządzenia półprzewodnikowe pracują w trudnych warunkach. Półprzewodnikowe elementy mocy wykonane z tych materiałów znacznie przekraczają ograniczenia krzemu i oferują wysoką sprawność nawet w krytycznych środowiskach działania. Urządzenia szerokoprzerwowe zapewniają również niższą rezystancję kanału, wyższe napięcie przebicia oraz wyższą niezawodność krótko- i długoterminową. Pole elektryczne przebicia półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej pozwala na osiągnięcie niższego prądu upływu i wyższe napięcie robocze.

    Azotek galu (GaN) ma największą ruchliwość elektronów spośród tych trzech materiałów (GaN, SiC i krzem), co czyni go optymalnym materiałem do zastosowań, w których wymagane częstotliwości pracy są bardzo wysokie. Z kolei węglik krzemu ma najwyższą przewodność cieplną (większą niż krzem lub GaN). Dlatego SiC ma przewagę sprawności w zastosowaniach wysokotemperaturowych, ponieważ maksymalizuje zdolność przewodzenia ciepła, a tym samym zwiększa osiągalną gęstość mocy w układzie. Ze względu na wysoką przewodność cieplną i szeroką przerwę energetyczną SiC może pracować w wyższych temperaturach niż krzem. SiC jest preferowany w zastosowaniach energetycznych o wysokich wartościach napięcia i prądu, podczas gdy GaN pozostaje wiodącym materiałem dla systemów radiowych, w których napięcia nie osiągają bardzo wysokich wartości.

    Elementy wykonane z SiC mogą działać przy napięciach do 1700 V. W rezultacie urządzenia z tego materiału prawie całkowicie wyparły krzemowe tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) w sektorze energetycznym, przemysłowym i transportowym. Z kolei półprzewodniki GaN mogą pracować z napięciem do 600 V. MOSFET i diody Schottky'ego oparte na GaN mają mniejsze straty niż urządzenia oparte na krzemowej technologii IGBT.

    Infineon Technologies twierdzi, że jego seria układów CoolSiC pozwala inżynierom opracowywać radykalnie nowe systemy energetyczne o optymalnym stosunku kosztów do wydajności. Firma produkuje układy na dużą skalę i posiada bardzo kompleksowe portfolio, na które składa się między innymi 1200 różnych tranzystorów MOSFET z rodziny CoolSiC. Charakteryzują się one rezystancją w pełni otwartego kanału od 30 do 350 miliohmów i dostępne są w obudowach TO-247-3 oraz TO-247-4.

    STMicroelectronics twierdzi, że tranzystory MOSFET SiC o napięciach 650 V i 1700 V cechują się bardzo niską rezystancją w stanie włączonym (RDS(on)) w obszarze połączenia i doskonałą sprawnością podczas przełączania, co przekłada się na bardziej wydajne i kompaktowe systemy. MOSFET te są częścią rodziny STPOWER.

    Elektronika mocy - oczy zwrócone ku półprzewodnikom szerokoprzerwowym
    NXP oferuje z kolei rozwiązania GaN-na-SiC dla infrastruktury komórkowej oraz dla sektora przemysłowego i obronnego. W miarę przesuwania się rynku telefonii komórkowej w kierunku wyższych częstotliwości i mocy, technologia półprzewodników szerokoprzerwowych zapewnia wyższa sprawność RF i pozwala na uproszczenie wdrożenia 5G. Technologia NXP GaN ułatwia także pracę z wysoką częstotliwością w systemach wojskowych i przemysłowych

    Elektronika mocy - oczy zwrócone ku półprzewodnikom szerokoprzerwowym
    Ponieważ krzem osiąga granice swoich zastosowań zarówno pod względem mocy, jak i częstotliwości, technologie GaN i SiC są na najlepszej drodze do zdominowania aplikacji energoelektronicznych – ich właściwości odpowiadają wymogom co do zwartości, lekkości, wysokiej sprawności i wysokiej gęstości mocy. Cały czas utrzymują się wyzwania technologiczne, zwłaszcza w zakresie redukcji kosztów i całkowitego rozpraszania ciepła, co w przypadku półprzewodników wynika ze strat podczas przewodzenia i przełączania elementów półprzewodnikowych. Inżynierowie muszą poradzić sobie z niektórymi wadami węglikowej części SiC i przezwyciężyć bardziej krytyczne problemy w procesach produkcji azotku galu.

    Źródło: https://www.eetimes.eu/power-device-rd-taps-the-potential-of-wide-bandgap-properties/

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9436 postów o ocenie 7364, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.