Węglik krzemu kontra krzem

Od projektantów infrastruktury energetycznej, od stacji ładowania pojazdów elektrycznych (EV) i falowników solarnych po systemy magazynowania energii i systemy zasilania awaryjnego, nieustannie wymaga się zmniejszania emisji dwutlenku węgla, poprawy niezawodności i obniżania kosztów.

Aby osiągnąć te cele, muszą oni uważnie przyjrzeć się optymalizacji opracowywanych rozwiązań do konwersji mocy, aby zmniejszyć straty przewodzenia i przełączania, utrzymać dobre parametry termiczne, zmniejszyć ogólny rozmiar oraz zredukować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Muszą oni również zapewnić, że wybrane rozwiązanie będzie zgodne z procesem zatwierdzania części produkcyjnych (PPAP) oraz normą AEC-Q101.

Aby sprostać tym wyzwaniom, projektanci mogą skorzystać z różnych węglikowo-krzemowych (SiC) tranzystorów mocy MOSFET, diod Schottky'ego, układów scalonych sterowników bramek i modułów zasilania.

W niniejszym artykule opisano pokrótce, w jaki sposób technologia węglikowo-krzemowa może zwiększyć sprawność i niezawodność oraz obniżyć koszty w porównaniu z klasyczną technologią krzemową. Dodatkowo dokonano przeglądu wariantów obudów i sposobów integracji urządzeń wykonanych z węglika krzemu z systemem oraz przedstawiono kilka rzeczywistych przykładów firmy onsemi. Artykuł ilustruje też najlepsze sposoby ich stosowania w celu optymalizacji projektów węglikowo-krzemowych tranzystorów mocy MOSFET i parametrów działania sterowników bramek z myślą o sprostaniu wyzwaniom infrastruktury energetycznej.

Węglik krzemu kontra krzem

Węglik krzemu (SiC) jest materiałem o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) wynoszącej 3,26eV w porównaniu do 1,12eV dla krzemu (Si). Oferuje również 10-krotnie większe pole przebicia i ponad 3-krotnie większą przewodność cieplną oraz może działać w znacznie wyższych temperaturach w porównaniu z krzemem. Takie parametry techniczne sprawiają, że węglik krzemu idealnie nadaje się do zastosowań w infrastrukturze energetycznej (tabela 1).

WłaściwościSi4H-SiCEnergia przerwy energetycznej (eV)1,123,26Ruchliwość elektronów (cm²/Vs)1400900Ruchliwość dziur (cm²/Vs)600100Pole przebicia (MV/cm)0,33,0Przewodność cieplna (W/cm°C)1,54,9Maksymalna temperatura złącza (°C)150600

Tabela 1: właściwości materiałowe 4H-SiC w porównaniu z Si sprawiają, że węglik krzemu idealnie nadaje się do zastosowań w infrastrukturze energetycznej. (Źródło ilustracji: onsemi)

Dzięki wyższemu polu przebicia cieńsze urządzenia z węglika krzemu mogą mieć takie samo napięcie znamionowe jak grubsze urządzenia z krzemu, przy czym te pierwsze mają odpowiednio niższą rezystancję w stanie włączenia i wyższy prąd znamionowy. Parametry ruchliwości ładunków dla węglika krzemu i dla krzemu są tego samego rzędu wielkości, co sprawia, że oba materiały nadają się do wykorzystania w konwersji mocy o wysokiej częstotliwości, a także sprzyja osiąganiu kompaktowych rozmiarów. Ich wyższa przewodność cieplna oznacza, że urządzenia z węglika krzemu doświadczają mniejszego wzrostu temperatury przy wyższych poziomach prądu. Na temperaturę pracy urządzeń z węglika krzemu ma wpływ konstrukcja, np. rodzaj połączeń przewodów, a nie cechy samego materiału. W rezultacie wybór optymalnego typu obudowy jest ważną kwestią dla projektantów korzystających z węglika krzemu.

Parametry materiałowe węglika krzemu sprawiają, że jest doskonałym wyborem do wielu projektów konwersji mocy o wysokich napięciach, dużych prędkościach, dużych natężeniach prądu i dużych gęstościach mocy. W wielu przypadkach pytaniem nie jest, czy korzystać z węglika krzemu, ale który typ obudowy dla urządzenia z węglika krzemu zapewni optymalne wyważenie parametrów działania i kosztów.

Projektanci opracowujący urządzenia wykonane z węglika krzemu mają możliwość wyboru jednego z trzech podstawowych typów obudów: urządzenia dyskretne, inteligentne moduły zasilania (IPM) lub zintegrowane moduły zasilania (PIM). Każdy z nich oferuje unikalny zestaw kompromisów w zakresie kosztów i parametrów działania (tabela 2). Na przykład:

• Urządzenia dyskretne są zazwyczaj preferowane, gdy głównym czynnikiem jest koszt, np. zastosowania konsumenckie. Obsługują one również dwa źródła energii i mają długi okres eksploatacji.
• Inteligentne moduły zasilania (IPM) skracają czas projektowania, zapewniają najwyższą niezawodność i są najbardziej kompaktowymi rozwiązaniami dla średnich poziomów mocy.
• Zintegrowane moduły zasilania (PIM) mogą okazać się przydatne do projektów o wyższej mocy, zapewniając dobrą gęstość mocy, stosunkowo krótki czas wprowadzania produktu na rynek, szeroki wachlarz opcji projektowania i większą liczbę możliwości podwójnego pozyskiwania energii w porównaniu z inteligentnymi modułami zasilania (IPM).

Tabela 2: porównanie cech i kompromisów dotyczących integracji przy wyborze typów obudów do urządzeń wykonanych z węglika krzemu spośród obudów dyskretnych, inteligentnych modułów zasilania (IPM) oraz zintegrowanych modułów zasilania (PIM). (Źródło ilustracji: onsemi)