Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak elementy SiC pomagają zwiększyć sprawność urządzeń

ghost666 09 Dec 2021 15:55 597 1
  • Efektywność energetyczna wymaga nieustannych optymalizacji: doprowadziło to rynek przemysłowy do poszukiwania różnych nowych rozwiązań. Węglik krzemu (SiC) jest obecnie jednym z najważniejszych półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej. Chętnie wykorzystywany jest do produkcji elementów mocy, gdyż pozwala na uzyskanie niskich strat i zwiększenia prędkości przełączania układów.

    SiC oferuje wyższy poziom wydajności niż krzem, głównie ze względu na znacznie mniejsze straty energii na elemencie i mniejszy ładunek wsteczny. Prowadzi to do zwiększenia przełączanej mocy przy jednoczesnej redukcji ilości energii potrzebnej do włączenia i wyłączenia tranzystora. Mniejsze straty ciepła umożliwiają z kolei redukcję rozmiaru systemów chłodzenia, zmniejszając w ten sposób wielkość, wagę i koszty infrastruktury przemysłowej. Wraz ze wdrażaniem aplikacji IoT i AI oraz migracją do chmury, coraz ważniejszy stanie się wyższy poziom efektywności w zarządzaniu energochłonną infrastrukturą IT.

    Węglik krzemu ma szersze pasmo wzbronione, niż czysty krzem, co pozwala na stosowanie tego materiału w dużo wyższych temperaturach, niż ma to miejsce w przypadku obecnych elementów elektronicznych.

    Parametry układów szerokoprzerwowych

    Półprzewodniki szerokoprzerwowe mają znacznie szersze pasmo zabronione niż zwykłe półprzewodniki, takie jak krzem czy arsenek galu (GaAs). Przekłada się to naturalnie na większe pole elektryczne potrzebne do przebicia i na możliwość pracy w wysokich temperaturach, czy zmniejszenie podatności na promieniowanie bez utraty właściwości elektrycznych.

    Wraz ze zwyżką temperatury materiału wzrasta, również energia cieplna elektronów w paśmie walencyjnym, aż do poziomu, w którym osiągają one energię niezbędną (w określonej temperaturze), aby przeskoczyć do pasma przewodnictwa. W przypadku krzemu jest to temperatura około 150 C; w odniesieniu do półprzewodników szerokoprzerwowych wartości te są, jednak znacznie wyższe.

    Wysokie pole konieczne do przebicia elektrycznego elementu z SiC przekłada się na wyższe napięcie przebicia. To napięcie jest wartością, przy której dioda wbudowana w tranzystor MOSFET ulega przebiciu lub uszkodzeniu, natomiast między źródłem a drenem przepływa stale rosnący prąd. Napięcie przebicia diody złączowej PN jest równorzędne do pola elektrycznego przebicia, podczas gdy jest odwrotnie proporcjonalne do koncentracji nośników w materiale.

    Wysokie pole elektryczne zapewnia doskonały poziom domieszkowania i rezystancji w znacznie niższych regionach dryfu. Przy tym samym napięciu przebicia szerokość obszaru dryfu jest odwrotnie proporcjonalna do pola elektrycznego przebicia. Innym ważnym parametrem jest opór w rejonie dryfu. Analizując poprzedni przykład diody złączowej PN, widzimy, że rezystancja włączenia układu z węglika krzemu jest odwrotnie proporcjonalna do pola elektrycznego przebicia dla jednobiegunowego składnika elementu.

    Jak elementy SiC pomagają zwiększyć sprawność urządzeń


    Cieńsze warstwy półprzewodników oferują mniejszą gęstość nośników ładunku mniejszościowego, co jest ważnym parametrem określającym prąd zwrotny elementu. W rzeczywistości przy jednakowych innych właściwościach element z większym chipem półprzewodnikowym zaprojektowanym do przewodzenia wyższych prądów będzie miał większy ładunek, który podlega przejściom między przewodzeniem a stanem zaporowym, a zatem będzie miał większy prąd zwrotny. Zdolność półprzewodnika do przełączania się przy wysokiej częstotliwości jest analogiczna do prędkości dryftu prądu, podczas nasycenia: prędkość dryfu nośników dla węglika krzemu i azotku galu jest dwukrotnie wyższa niż krzemu. Dzięki temu te ostatnie mogą bezpiecznie działać przy wyższych częstotliwościach przełączania. Ponadto wyższy współczynnik dryftu jest równoznaczny z szybszym usuwaniem ładunków z półprzewodnika; skutkuje to krótszym czasem regeneracji klucza i niższym wstecznym prądem.

    Możliwość pracy w wysokich temperaturach i przy szerszej przerwie energetycznej zależy, również od przewodności cieplnej materiału. Istnieje kilka sposobów estymacji oporu cieplnego: można przeanalizować opór cieplny między złączem a obudową lub opór cieplny między złączem a otoczeniem danego elementu. Opór cieplny między złączem a otoczeniem jest przydatnym parametrem, gdy zewnętrzne radiatory nie są podłączone, na przykład w przypadkach, gdy konieczne jest porównanie tego, jak różne obudowy elementów elektronicznych odprowadzają ciepło.

    Możliwe jest porównanie materiałów za pomocą współczynnika dobroci w sposób proporcjonalny do iloczynu między rezystancją a ładunkiem wejściowym na bramce. Te parametry określają odpowiednio straty, podczas przewodzenia i przełączania oraz są ze sobą połączone; zwykle element o niższej wartości ładunku będzie miał nieco wyższą rezystancję włączenia.

    Jak elementy SiC pomagają zwiększyć sprawność urządzeń




    Diody SiC

    Diody wykonane z węglika krzemu to głównie diody Schottky’ego. Klasyczne diody krzemowe oparte są na złączu P-N. W diodach Schottky’ego metal zastępuje półprzewodnik typu p, tworząc połączenie metal-półprzewodnik (m-s), lub tzw. barierę Schottky’ego. Zapewnia to niski spadek napięcia w kierunku przewodzenia, dużą prędkość przełączania i niski poziom szumów. Dioda Schottky’ego służy do sterowania kierunkiem przepływu prądu w obwodzie, umożliwiając mu przepływ tylko od anody do katody tego elementu. Gdy dioda Schottky’ego jest w stanie nieobciążonym wolne elektrony przemieszczają się z półprzewodnika typu n do metalu, tworząc barierę. W przypadku stanu spolaryzowanego w kierunku przewodzenia elektrony mogą przekroczyć tę barierę, jeśli napięcie jest większe niż 0,2V.

    Prąd upływu diody wykonanej z węglika krzemu jest znacznie niższy niż w przypadku zwykłej diody. Jako półprzewodnik szerokoprzerwowy, węglik krzemu ma znacznie niższy prąd upływu i może być domieszkowany znacznie wyżej, niż krzem. Ponadto napięcie przewodzenia diody SiC jest wyższe niż napięcie diody krzemowej z powodu szerszego pasma wzbronionego węglika krzemu.

    W wywiadzie z Aminem Allouchem — członkiem zespołu System Plus Consulting Power Electronics and Compound Semiconductors, zwrócono szczególną uwagę na niektóre cechy diod SiC.

    W przeciwieństwie do zwykłych diod PiN, diody Schottky’ego nie mają prądu powrotnego, ponieważ są elementami jednobiegunowymi z większościowymi nośnikami ładunku. Jednak wykazują pewne efekty przywracania spowodowane pasożytniczymi zdolnościami i indukcyjnością samej obudowy i obwodu. Główny obszar zastosowania diod SiC znajduje się w obwodach zasilania, szczególnie w obwodach PFC (korekcja współczynnika mocy) w trybie CCM (Continuous Conduction Mode). Węglik krzemu (SiC) zapewnia diodzie wyższe napięcie pracy i wyższą wydajność prądu, dzięki czemu lepiej sprawdzają się w użytku przemysłowym.

    „Według Yole Développement rynek układów SiC z samymi diodami SiC był wart 160 milionów dolarów w 2019 roku. Obejmuje to różne segmenty, takie jak: motoryzacja, energetyka, przemysł… W rzeczywistości diody SiC są używane głównie w zastosowaniach średniego napięcia (motoryzacja, PV, sterowanie silnikami elektrycznymi…) i w ramach użytku wysokonapięciowego (np. inteligentne sieci energetyczne). W motoryzacji urządzenia SiC, a zwłaszcza diody SiC są obecnie stosowane w pokładowych ładowarkach” — skomentował Amine Allouche.

    Podobnie, jak w przypadku innych chipów SiC, jak podkreśla Amine Allouche, główne wyzwania stojące przed diodami SiC można podzielić na trzy poziomy:

    Poziom materiału: Substraty SiC mają wysoki koszt produkcji (w porównaniu na przykład z substratami Si). Skomercjalizowane substraty są nadal ograniczone do 6 cali, podczas gdy firmy produkujące podłoża Si przechodzą obecnie na format 12 cali.

    Istnieje ograniczona liczba hurtowych dostawców wysokiej jakości podłóż dla układów SiC, które są potrzebne do produkcji niezawodnych urządzeń. Zostało to podkreślone w raporcie, w którym znaleźć można porównanie kosztów surowych płytek SiC różnych producentów i sprzedawców diod SiC: Infineon, Wolfspeed, Rohm, STMicroelectronics, ON Semiconductor, Microsemi i UnitedSiC.

    Poziom urządzenia: niezawodność urządzenia jest trudna do przecenienia w przypadku niektórych krytycznych etapów procesu, takich jak: epitaksja, domieszkowanie (które wymaga wysokiej temperatury), trawienie. Wydajność produkcyjna, wciąż wymaga ulepszenia w porównaniu z bardziej dojrzałą technologią krzemową, gdzie efektywność jest znacznie wyższa.

    Poziom systemowy: obudowa to kolejne wyzwanie dla diod SiC. Aby w pełni wykorzystać zalety technologii SiC należy opracować nowe rozwiązania obudów dla półprzewodników. W cytowanym raporcie szczegółowo opisano różne aspekty obudów związane z diodami SiC dostępnymi na rynku, od rodzaju obudowy poprzez systemy bondingu etc.

    Diody SiC mogą być montowane w dyskretnych obudowach i używane jako diody antyrównoległe podłączane z tranzystorami na bazie krzemu w modułach hybrydowych lub jako diody antyrównoległe w pełnych modułach SiC z tranzystorami SiC. „W naszym raporcie podkreślamy na przykład wybory producentów w zakresie obudów. W odniesieniu do 11 producentów diod SiC, 7 z nich, których przeanalizowaliśmy stosowało pięć typów mocowania chipu w obudowie. Wśród nich najpopularniejszy jest sposób wykorzystujący lutowanie stopem na bazie cyny. Jednak jeden sprzedawca sięgał po określony typ wysokowydajnej technologii do mocowania chipów, co szkodziło, wszakże kosztom produkcji” — powiedział Amine Allouche.

    Wysoka przewodność cieplna węglika krzemu umożliwia lepsze odprowadzanie ciepła, oferując mniejsze ograniczenia w zakresie formatu obudowy niż krzem. Pozwala to obniżyć koszty i produkować mniejsze układy scalone.

    Diody SiC są doskonałym zamiennikiem diod krzemowych w falownikach: wykorzystując je jako diody do umieszczenia antyrównoległego względem krzemowych IGBT można zmniejszyć straty w urządzeniu. W typowym hybrydowym pojeździe elektrycznym (HEV) wymiana elementów krzemowych na elementy z węglika krzemu zwiększa sprawność układu trakcyjnego o ponad 10%. Powoduje to zmniejszenie objętości radiatora do 1/3 „krzemowej” wersji.

    Źródła:
    https://www.eetimes.eu/the-importance-of-sic-semiconductors-for-energy-efficiency/
    https://www.eeweb.com/energy-efficiency-optimization-through-sic-semiconductors/

    Cool? Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    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 wrote 11099 posts with rating 9410, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • #2
    pawelr98
    Level 39  
    ghost666 wrote:

    Wraz ze zwyżką temperatury materiału wzrasta, również energia cieplna elektronów w paśmie walencyjnym, aż do poziomu, w którym osiągają one energię niezbędną (w określonej temperaturze), aby przeskoczyć do pasma przewodnictwa. W przypadku krzemu jest to temperatura około 150 C; w odniesieniu do półprzewodników szerokoprzerwowych wartości te są, jednak znacznie wyższe.


    Krzem może pracować do 200°C, limit 150°C wynika z zastosowanej obudowy.
    Tranzystory w obudowach metalowych mają katalogowo temperaturę pracy do 200°C. Ten sam model tranzystora może mieć 150°C lub 200°C w zależności od rodzaju obudowy.