IGBT- og effekt-MOSFET-er i silisiumkarbid

Silisiumkarbid er en forbindelse som ofte brukes i kraftelektronikk. Det har en rekke egenskaper som kan forbedre ytelsen i forhold til silisiumbaserte enheter, blant annet økt sperrespenningskapasitet og redusert spesifikk on-motstand.

Littelfuses forskning på disse egenskapene har resultert i ny teknologi som er utviklet for å øke effektiviteten i AGPU-baserte systemer. Littelfuse har gjennomført omfattende forsøk med eksperimentelle systemer som er utviklet gjennom dette forskningsprosjektet, og som har vist at teknologien er effektiv.

Kostnader

Silisiumkarbid, en legering som består av silisium og karbon, har lenge vært brukt som slipemateriale i slipeskiver, siden det første gang dukket opp i slipeskiver på 1920-tallet. Senere ble det brukt til produksjon av skuddsikker vestkeramikk, og i den senere tid har det blitt brukt som substrat i produksjon av krafthalvledere. Nylig ble det imidlertid oppdaget at det har flere unike egenskaper som gjør det spesielt godt egnet til produksjon av elektroniske komponenter, for eksempel til produksjon av krafthalvledere.

SiC, eller silisiumkarbid, kan revolusjonere kraftelektronikken som et alternativ til silisiumbaserte enheter på grunn av de unike elektriske egenskapene som gjør at det kan gi betydelige fordeler i forhold til IGBT-er og MOSFET-er i silisium.

Siden nitridhalvledere har en høy elektrisk feltstyrke, er det mulig å lage mye mindre gate- og driftlag enn det som er mulig med silisium - noe som gir høyere driftsspenninger og kortere koblingstider, i tillegg til at driftstemperaturene kan være mye høyere enn for konvensjonelle silisiumbaserte halvledere.

Alle disse faktorene til sammen gir en halvleder med overlegen ytelse på tvers av mange bruksområder, noe som har resultert i utstrakt bruk i kraftelektronikkdesign, for eksempel i ladere til elbiler, solcelleomformere og traksjonsomformere.

Silisiumkarbid kan håndtere høye nivåer av transienter uten å bli kompromittert, noe som gjør det til et utmerket materialvalg for harde og myke koblingstopologier som LLC- og ZVS-topologier.

Wolfspeeds WolfPACK-kraftmoduler er et ideelt valg for denne typen applikasjoner og har mange funksjoner som gjør dem egnet for høyytelsesladere for elbiler, solcelleomformere, traksjonsomformere og strømdistribusjon til datasentre. Last ned vårt whitepaper for å få mer innsikt i denne teknologien og hvordan den kan bidra til å oppnå effektivitet og ytelse for ditt neste design:

Ytelse

Silisiumkarbid, ofte omtalt som SiC, har blitt et stadig mer populært materiale innen kraftelektronikk på grunn av sine unike egenskaper. SiC har en eksepsjonell elektrisk feltstyrke som gjør det mulig å oppgradere ytelsen i MOSFET-er betraktelig - og gjør det mulig for designere å utvikle enheter som er i stand til å håndtere effekttransienter som normalt ville fått tradisjonelle IGBT-er eller standard effekt-MOSFET-er til å svikte.

Silisiumkarbid kan operere ved høyere temperaturer enn silisium, noe som reduserer varmeutviklingen i strømkretser og øker effektiviteten og reduserer varmetapet, slik at man sparer mer energi og sparer kostnader på bortkastet energi. I tillegg gir SiC bedre beskyttelse mot lysbuer og overspenninger, noe som er fordelaktig både i bilindustrien og i industrien.

SiC er en annen fordel på grunn av de lave koblingstapene, spesielt sammenlignet med silisiumtransistorer. SiC MOSFET-er har lavere ledningseffekttap og kan slås av og på raskere, noe som gir bedre systemytelse - spesielt nyttig i applikasjoner der strømbrytere må slås av og på ofte.

Silisiumkarbid-kraftmoduler har kapasitet til å håndtere store strømstyrker, noe som gjør dem perfekte for krevende bruksområder. De kan håndtere opptil 40 ampere kontinuerlig eller korte støt på 100 ampere - betydelig høyere enn tradisjonelle silisium-IGBT-er, som bare tåler 10 ampere kontinuerlig drift.

For å evaluere ytelsen til SiC-IGBT-er ble det konstruert flere eksperimentelle systemer. Disse inkluderte AGPU-system, enkeltpulstest (SPT) og trefasede vekselrettersystemer. Alle tre viste at SiC-IGBT overgikk sine Si-IGBT-kolleger både når det gjaldt harde og myke koblingsegenskaper samt effektivitet.

Når man bruker en SiC-IGBT, er det imidlertid nødvendig å ta hensyn til kravene til gate-driveren. Induktansen må være så lav som mulig for å unngå ringing og elektromagnetisk interferens (EMI), og den må også tåle den nødvendige gatespenningen under av/på-operasjoner.

Sikkerhet

Silisiumkarbid er et nytt materiale med en rekke fordeler sammenlignet med tilsvarende materialer av silisium. Blant annet utmerker silisiumkarbid seg ved at det er bedre til å lede bort varme, samtidig som det har høyere kritisk gjennomslagsstyrke (opptil 10 ganger høyere) og er mer pålitelig i miljøer med høye temperaturer. I tillegg er koblings- og ledningstapene lavere, noe som fører til høyere effektivitet - disse egenskapene gjør silisiumkarbid ideelt for kraftkonverteringsapplikasjoner.

Silisiumkarbid (SiC) er en forbindelse som består av silisium og karbon, og som har eksepsjonelle elektriske egenskaper som gjør det velegnet til krafthalvlederapplikasjoner. SiCs sikkerhet, miljøvennlighet og utmerkede ytelse gjør det spesielt egnet i vekselrettere, ombordladere, DC/DC-omformere og DC/AC-omformere. I tillegg kan denne nye teknologien potensielt øke rekkevidden til elbiler med så mye som 6 prosent.

SiC-effekt-MOSFET-er har lavere koblingsmotstand og raskere inn- og utkoblingstider enn tilsvarende IGBT-er i silisium, noe som gjør det mulig å levere høy strømkapasitet i en kompakt innkapsling med færre eksterne komponenter, noe som gir kostnadsbesparelser og forbedret pålitelighet.

SiC er et utmerket materialvalg på grunn av sin evne til å motstå plutselige spenningstransienter, noe som gir ekstra sikkerhet under feilforhold. Denne egenskapen gjør det også mulig å håndtere kortslutningsstrøm, noe som gir bedre sikkerhetstiltak mot kortslutningsstrøm.

SiC-IGBT-er er et ideelt valg for hybride kraftmoduler, ettersom driftstemperaturområdet er større enn for standard IGBT-er - denne egenskapen er spesielt viktig i industrielle miljøer der komponentene kan være utsatt for tøffe omgivelser. I tillegg gjør det større gate-til-emitter-spenningsutslaget at de kan fungere ved høyere strømnivåer uten problemer med over- eller underspenning.

Bruksområder

Halvledere av silisiumkarbid har blitt et stadig mer populært valg for ulike bruksområder. Energieffektiviteten er langt bedre enn hos tradisjonelle silisiumkomponenter, og de tåler høyere temperaturer uten å ta skade. Det lavere koblingstapet muliggjør dessuten høyere frekvenser enn vanlige silisiumtransistorer - perfekt for harde og resonante koblingstopologier. Den mye høyere kritiske gjennomslagsstyrken sammenlignet med standard MOSFET-er gjør dem dessuten enda mer robuste mot høyspenningsbelastninger.

Forskere har nylig brukt SPT til å måle koblingsegenskapene til Si-IGBT-er og SiC-IGBT-er under resistiv og RL-belastning. Målingene viste at SiC-IGBT-enheter hadde lavere koblingstap på grunn av lavere kollektor-emitter-motstand og raskere koblingstider, noe som førte til høyere konverteringseffektivitet.

Selv om IGBT-er generelt anses som ideelle for industrielle spenningskildeomformere, er de ikke alltid den optimale løsningen for alle bruksområder. De har høyere koblingstap enn andre typer effekthalvledere, noe som kan føre til betydelig temperaturstigning i systemene, øke varmespredningen og redusere effektiviteten.

Effekt-MOSFET-er i silisiumkarbid har mye høyere kritisk gjennomslagsstyrke enn IGBT-er, og de fungerer pålitelig ved mye høyere temperaturer, noe som gjør dem i stand til å motstå transienter i kraftsystemer og dermed forbedre den generelle påliteligheten.

Infineon tilbyr IGBT- og silisiumkarbidteknologier for applikasjoner som omfatter traksjonsomformere og solcelleomformere, gate-drivere for IGBT-er og effekt-MOSFET-er i silisiumkarbid som gir maksimal ytelse og effektivitet i hard-switching-topologier samt økte svitsjefrekvenser, noe som fører til mindre systemstørrelser med redusert vekt og høyere effekttetthet.