În ultima vreme, a fost acordată o mare atenție carburii de siliciu (SiC) și utilizării sale potențiale în electronica de putere, dar acest lucru a generat și unele concepții greșite. Acest articol își propune să le clarifice, astfel încât inginerii să fie mai încrezători în privința utilizării dispozitivelor SiC în viitor.
Aplicații
Figura 1: Imaginea unei pastile SiC. (© onsemi)
Unele dintre confuziile din jurul SiC se referă la aplicațiile în care această tehnologie poate fi utilizată. De exemplu, unii proiectanți cred că MOSFET-urile SiC ar trebui să fie folosite pentru a înlocui IGBT-urile, în timp ce dispozitivele din nitrură de galiu (GaN) ar trebui să înlocuiască MOSFET-urile din siliciu. De exemplu, MOSFET-urile SiC de 650V oferă performanțe excelente, cu o cifră de merit RDS(ON)*Qg competitivă și o sarcină minimă de recuperare inversă. Acest lucru face din SiC o alternativă excelentă la MOSFET-urile din siliciu în aplicațiile cu comutație puternică, precum corecția factorului de putere într-o configurație “totem pole” (TPPFC) sau un amplificator sincron. Unii ingineri consideră că SiC nu este potrivită pentru aplicațiile de frecvență mai mare și că ar trebui să se utilizeze, în schimb, GaN pentru comutația rapidă. Cu toate acestea, evoluțiile tehnologice recente au redus suprafața pastilei SiC, ceea ce a sporit și mai mult gradul de adaptabilitate pentru operarea la frecvențe înalte (>100 kHz). Ca urmare, dispozitivele SiC sunt acum utilizate cu succes în aplicații precum TPPFC la 100 kHz și LLC cu comutație soft la frecvențe cuprinse între 200 și 300 kHz. În plus, tehnologiile emergente, cum ar fi MOSFET-urile SiC Trench și Cascoded, vor îmbunătăți și mai mult performanțele sale la frecvențe înalte. În sfârșit, alți ingineri consideră că SiC este o tehnologie de nișă, datorită succesului său în invertoarele de tracțiune pentru vehicule electrice. Cu toate acestea, cerința de creștere a densității de putere și de funcționare eficientă în aproape toate sectoarele înseamnă că avantajele SiC pot fi benefice și pentru o gamă largă de proiecte mai puțin complexe, cum ar fi încărcătoarele de la bordul vehiculelor electrice (OBC), modulele solare fotovoltaice (PV) și energiile regenerabile, precum și cloud computing.
Selectarea și operarea dispozitivului
Mulți proiectanți folosesc o tensiune negativă de blocare a porții pentru a preveni ca dispozitivele SiC să “sară” sau să pornească din greșeală din nou din cauza fenomenelor tranzitorii de comutație, dar aceasta nu este o cerință strictă. Multe exemple de modele SiC de succes nu necesită o tensiune negativă de comandă a porții. Cu toate acestea, la fel ca în cazul tuturor dispozitivelor, trebuie respectate bunele practici, cum ar fi o configurație compactă care să minimizeze efectele parazite. Mai mult, driverul de poartă trebuie să fie capabil să absoarbă un curent suficient pentru a menține dispozitivul oprit ferm. Un driver de poartă cu joncțiune izolată poate fi acceptabil într-un număr limitat de aplicații, cum ar fi TPPFC. Cu toate acestea, merită menționat că driverele de poartă izolate galvanic oferă o imunitate sporită la zgomot și pot gestiona mai bine fenomenele tranzitorii dv/dt ale nodului de comutație, prevenind declanșările false. Deoarece MOSFET-urile SiC comută rapid și au o sarcină de poartă (Qg) mai mică decât dispozitivele echivalente din siliciu, un driver de poartă izolat galvanic permite o proiectare mai robustă – chiar și în aplicații care nu necesită, strict, un astfel de driver. În prezent, multe drivere SiC dedicate oferă funcții avantajoase, cum ar fi comanda porții cu o tensiune negativă, DESAT, OCP, OTP și alte protecții. Prin alegerea driverului de poartă potrivit, comanda unui dispozitiv SiC nu este mai dificilă decât comanda unui MOSFET de siliciu.
Aspecte economice, ecosistem și lanț de aprovizionare pentru SiC
Există o percepție greșită conform căreia soluțiile SiC sunt scumpe. În comparație cu MOSFET-ul de siliciu, există o ușoară majorare de preț pentru un dispozitiv SiC; totuși, luați în considerare o soluție de putere tipică de 30 kW bazată pe siliciu. În acest caz, 90% din costul total se regăsește în inductanțe și capacitoare (60% și, respectiv, 30%), iar dispozitivele semiconductoare reprezintă doar 10% din costul total al listei de materiale (BOM). Să presupunem că MOSFET-urile din siliciu sunt înlocuite cu switch-uri SiC. În acest caz, dimensiunea capacitanței și a inductanței va fi redusă cu 75%, ceea ce oferă o reducere semnificativă a costurilor (precum și a dimensiunilor), care compensează creșterea costurilor componentelor cu comutație. În plus, dispozitivele din siliciu oferă un randament mai scăzut decât dispozitivele SiC, necesitând soluții de disipare a căldurii costisitoare și voluminoase. Prin urmare, costul total al BOM al unei soluții SiC este mai mic decât al unei soluții echivalente din siliciu.
Figura 2: Lanțul de aprovizionare de la un capăt la altul al onsemi. (© onsemi)
Ecosistemul SiC evoluează rapid, pe măsură ce tehnologia intră în atenția publicului larg. În prezent, există o gamă variată de dispozitive SiC disponibile în comerț și de drivere de poartă asociate, disponibile în mai multe variante de capsulare pentru a se potrivi multor aplicații. Baza de cunoștințe pentru SiC este în creștere în întreaga industrie, pe măsură ce producătorii își sporesc suportul prin intermediul echipelor de ingineri de aplicații, proiecte de referință, note de aplicații, modele de simulare și instrumente. Cu toate acestea, în urma achiziției recente a GTAT, lanțul de aprovizionare al onsemi este mult mai robust. onsemi este singurul furnizor de anvergură cu capabilități de aprovizionare cu SiC de la un capăt la altul, care include creșterea volumului de cristale (boule), substrat, epitaxie SiC, fabricarea de dispozitive, cele mai bune module integrate și soluții discrete de capsulare. Pentru a susține creșterea așteptată a SiC în următorii ani, onsemi plănuiește să mărească de cinci ori capacitatea operațiunilor cu substraturi și să facă investiții substanțiale în extinderea capacității companiei în domeniul dispozitivelor și modulelor, pentru a dubla capacitatea în toate locațiile sale până în 2023. Aceasta va fi urmată de, aproape, dublarea din nou a capacității până în 2024, cu posibilitatea de a dubla, din nou, capacitatea în viitor.
Robustețe la temperaturi și tensiuni ridicate
Figura 3: MOSFET EliteSiC planar M1 de 1700V. (© onsemi)
Banda interzisă largă (WBG) a materialului SiC îi conferă acestuia o mai bună robustețe la avalanșă în cadrul MOSFET-urilor SiC, deoarece concentrația de purtători generată termic este mult mai mică decât cea a dispozitivelor din siliciu. Deși este adevărat că dispozitivele SiC au geometrii mai mici, astfel încât timpul lor de rezistență la scurtcircuit este mai mic decât cel al unui IGBT, totuși, utilizarea unui driver de poartă SiC adecvat asigură detectarea defecțiunii și oprirea dispozitivului cu o marjă de rezervă suficientă, astfel încât acestea pot fi utilizate cu încredere în aplicații în care este necesară robustețea. Tensiunea bateriei de pe multe vehicule electrice trece de la 400V la 800V sau 1.000V. În cadrul sistemelor solare fotovoltaice (PV), tensiunea de intrare crește de la 600V la 1.500V. Pentru a satisface această nevoie de tensiuni de rupere mai mari, onsemi a dezvoltat o gamă de dispozitive MOSFET planare EliteSiC M1 de 1700V, optimizate pentru aplicații cu comutație rapidă. Alături de aceste MOSFET-uri, a lansat și o gamă de diode Schottky SiC de 1700V.
Concluzie
După ce am analizat dispozitivele din siliciu și carbură de siliciu în cadrul diferitelor criterii de evaluare, este clar că multe concepții greșite răspândite nu au nicio bază reală, iar inginerii ar trebui să fie încrezători în ceea ce privește selectarea și aplicarea acestei tehnologii versatile în proiectele lor.
Autor: Ajay Hari,
Applications Director,
onsemi
