Figura 1: Există numeroase aplicații care au nevoie de avantajele oferite de tehnologia SiC. (© onsemi)
Dispozitivele cu bandă interzisă largă (WBG), precum SiC, sunt esențiale pentru aplicațiile moderne, în special pentru automobile și energie regenerabilă. Pe măsură ce lumea noastră se îndreaptă către surse de energie durabilă (în primul rând electrice), importanța eficienței este mai mare ca oricând.
Una dintre modalitățile de creștere a eficienței modului de comutare este reducerea pierderilor de cupru și a pierderilor de comutare. Totodată, ca să facă față acestei provocări, tensiunile magistralelor de curent continuu cresc, iar tehnologiile cu semiconductori trebuie să evolueze pentru a ține pasul. Aceste tehnologii sunt esențiale pentru companii și pentru a permite îndeplinirea angajamentelor de reducere a emisiilor de carbon.
Tehnologia avansează rapid, beneficiind de stimuli diferiți într-o multitudine de domenii de aplicații. Dacă ne uităm la două dintre cele mai importante piețe, cea industrială și cea auto, tendințele cheie care domină sunt creșterea eficienței, factorul de formă și o detecție îmbunătățită cu ajutorul senzorilor de imagine.
În domeniul industrial, progresele în materie de MOSFET-uri și module de putere sunt implementate cu scopul de a îmbunătăți eficiența energetică și costul sistemului pentru o gamă largă de sisteme industriale. Două domenii care beneficiază din plin de aceste tehnologii sunt infrastructura de încărcare a vehiculelor electrice și aplicațiile de energie alternativă / regenerabilă, cum ar fi energia solară.
Costul și performanța sunt elemente comune multor aplicații industriale. Proiectanții sunt puși în fața provocării de a livra mai multă putere de la invertoarele solare fără a crește dimensiunea sau să diminueze costurile de răcire asociate cu stocarea energiei. Un sistem de încărcare la prețuri accesibile poate fi considerat o poartă de acces spre înmulțirea vehiculelor de pasageri electrificate. Un aspect esențial este acela de a permite soluții de încărcare prin intermediul stațiilor DC de încărcare mai rapidă (DC wallbox sau DC Fast charging), fără a necesita răcire suplimentară.
În domeniul automobilelor, eficiența este legată inevitabil de autonomia vehiculului, precum și de dimensiunea, greutatea și costul componentelor electronice de la bord. În acest caz, implementarea soluțiilor SiC în locul modulelor de alimentare IGBT în EV/HEV oferă îmbunătățiri semnificative ale performanței – alături de beneficiile obținute printr-o mai bună gestionare a energiei la nivelul procesoarelor auto, al iluminatului cu LED-uri și altor dispozitive electronice utilizate în interiorul vehiculului.
Invertorul de tracțiune este un element cheie, deoarece are un impact asupra eficienței globale a vehiculului și, prin urmare, influențează autonomia. Având în vedere profilul de conducere, un vehicul ușor de pasageri funcționează în majoritatea timpului în condiții de sarcină redusă și, prin urmare, beneficiile îmbunătățirii eficienței cu ajutorul soluțiilor SiC față de IGBT sunt bine cunoscute. În plus, încărcătorul de la bord (OBC – On-Board Charger) trebuie să fie cât mai mic posibil. Factorii de formă mai mici se obțin numai cu dispozitive WBG care permit o frecvență de comutație ridicată. Fiecare gram de energie economisită permite vehiculului să îmbunătățească randamentul global și să atenueze anxietatea legată de autonomie.
Avantajele tehnologiei SiC în aplicațiile moderne
Figura 2: Produsele cu bandă interzisă largă, precum SiC, oferă multiple avantaje în sistemele de alimentare. (© onsemi)
Fiecare conversie de putere în aplicațiile auto și industriale se bazează pe dispozitive semiconductoare cu comutație și diode pentru a fi eficiente și a reduce pierderile de conversie. În consecință, industria semiconductorilor a făcut eforturi pentru a îmbunătăți performanța dispozitivelor semiconductoare din siliciu utilizate în aplicațiile de putere, în special IGBT-urile, MOSFET-urile și diodele. Acest lucru, împreună cu inovarea în topologiile de conversie a puterii, a dus la o performanță mai bună decât a fost vreodată.
Având în vedere că dispozitivele semiconductoare tradiționale din siliciu au ajuns la limita capacității lor de a continua să crească eficiența, este nevoie de un nou produs. Așa-numitele dispozitive cu bandă interzisă largă (WBG), cum ar fi SiC și GaN (nitrură de galiu), promit mult pentru viitor. Cererea de sisteme electrice cu performanțe, densitate și fiabilitate mai mari împinge tehnologia SiC la un nivel superior.
Fie că este vorba de profilele de sarcină ale sistemelor de tracțiune auto, invertoarelor solare sau încărcătoarelor pentru vehicule electrice, MOSFET-urile și diodele bazate pe SiC oferă performanțe și costuri mai bune la nivel de sistem în comparație cu IGBT-urile și rectificatoarele tradiționale din siliciu. Caracteristica de bandă interzisă largă a SiC-ului permite câmpuri critice mai mari decât în cazul siliciului, ceea ce se traduce printr-o capabilitate de tensiune de blocare mai mare, cum ar fi 1700V și 2000V. În plus, tehnologia SiC oferă implicit o mobilitate a electronilor și o viteză de saturație mai mari decât cea a dispozitivelor din siliciu, ceea ce permite operarea la frecvențe și temperaturi de joncțiune semnificativ mai mari, ambele fiind extrem de benefice. Mai mult, dispozitivele SiC pot comuta cu pierderi relativ mici la frecvențe mai mari, reducând dimensiunea, greutatea și costul componentelor pasive asociate, inclusiv componentele magnetice și capacitoarele.
Pierderile de conducție și de comutare semnificativ mai mici înseamnă că soluțiile de alimentare bazate pe SiC generează mai puțină căldură. Acest lucru, împreună cu abilitatea de a opera la temperaturi de joncțiune (Tj) de până la 175°C, înseamnă că nevoia de atenuare termică, cum ar fi ventilatoarele și radiatoarele, este semnificativ redusă, economisind dimensiunea, greutatea și costul sistemului, precum și asigurând o mai mare fiabilitate chiar și în aplicații dificile, cu spațiu limitat.
Nevoia de dispozitive cu tensiune mai mare
Așa cum s-a menționat mai sus, tehnologia SiC oferă o tensiune de blocare mai mare, de 1700V și 2000V. Pentru o putere dată, creșterea tensiunilor ar reduce cerințele generale legate de capabilitățile de curent și, prin urmare, pierderile globale de cupru. În aplicațiile de energie regenerabilă, cum ar fi sistemele solare fotovoltaice (PV), nivelul tensiunii DC de la panourile PV a crescut de la 600V la 1500V pentru a spori eficiența. Similar, există o tranziție de la un bus de 400V în cazul vehiculelor ușoare de pasageri la un bus de 800V (și, în unele cazuri, la un bus de 1000V) pentru a spori eficiența și a reduce timpii de încărcare. În trecut, dispozitivele cu o tensiune nominală de 750V se utilizau pe magistrale de 400V, dar acum sunt necesare tensiuni mai mari, cum ar fi de 1200V și chiar 1700V, pentru a asigura o funcționare fiabilă în aceste aplicații.
Cea mai recentă tehnologie
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. Unul dintre primele dispozitive disponibile este NTH4L028N170M1 care are o tensiune VDSS de 1700V și o tensiune VGS extinsă, de -15/+25V. Rezistența RDS(ON) a dispozitivului are o valoare tipică excelentă, de doar 28 mW.
Figura 3: Noile MOSFET-uri EliteSiC de 1700 V de la onsemi. (© onsemi)
Noile MOSFET-uri de 1700V pot opera la temperaturi de joncțiune (Tj) de până la 175°C, permițând reducerea semnificativă sau eliminarea în întregime a radiatorului. NTH4L028N170M1 include o conexiune de sursă Kelvin pe al patrulea pin (capsulă TO-247-4L) care îmbunătățește disiparea de putere la pornire și zgomotul de poartă. De asemenea, este disponibilă o configurație D2PAK-7L, care reduce și mai mult efectele parazite ale capsulei, precum NTBG028N170M1.
În curând va fi disponibil un MOSFET SiC de 1700V 1000 mW în capsule TO-247-3L și D2PAK-7L pentru unități de alimentare auxiliară de înaltă fiabilitate în cadrul încărcării vehiculelor electrice și al aplicațiilor regenerabile.
Figura 4: Noile diode Schottky de 1700V de la onsemi. (© onsemi)
Alături de MOSFET-uri, onsemi a dezvoltat și o gamă de diode Schottky SiC de 1700V. Cu această clasificare, dispozitivele din familia D1 vor oferi o marjă de tensiune mai mare între VRRM și tensiunea inversă repetitivă de vârf a diodei. În special, noile dispozitive vor oferi o valoare VFM mai mică, o tensiune directă maximă și un curent invers de scurgere excelent chiar și la temperaturi ridicate – permițând proiectanților să obțină o funcționare stabilă de înaltă tensiune la temperaturi ridicate.
Noile dispozitive (NDSH25170A & NDSH10170A) sunt disponibile în capsulă TO-247-2L și în format bare die, împreună cu o versiune de 100 A care nu este disponibilă încapsulată.
Considerații privind lanțul de aprovizionare
Având în vedere că disponibilitatea componentelor afectează lanțurile de aprovizionare în unele sectoare, este foarte important ca, atunci când se selectează noi dispozitive/tehnologii, să se ia în considerare disponibilitatea de aprovizionare. Pentru a asigura aprovizionarea fiabilă a clienților în vederea susținerii unei creșteri rapide, onsemi a achiziționat recent GTAT. Această achiziție nu numai că întărește lanțul său de aprovizionare, dar permite onsemi să valorifice experiența tehnică a GTAT.
În prezent, onsemi este singurul furnizor la scară largă cu o capacitate de livrare 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.
Rezumat
SiC oferă performanțe care vor permite proiectanților să răspundă nevoilor aplicațiilor moderne dificile, inclusiv în domeniul automobilelor, al energiilor regenerabile și industriale – în special în ceea ce privește densitatea de putere și aspectele termice.
În timp ce tehnologia este încă în curs de maturizare, evoluția constantă și progresele din sectoarele cheie de aplicații înseamnă că SiC trebuie, de asemenea, să evolueze pentru a răspunde acestor nevoi în creștere. Un exemplu este cerința unor tensiuni de rupere mai mari, pe care onsemi a reușit să o acopere cu noile sale MOSFET-uri și diode SiC de 1700V. În plus, onsemi dezvoltă în prezent o tehnologie MOSFET SiC de 2000V pentru a sprijini aplicațiile emergente, cum ar fi cele solare, transformatorul Solid State și întrerupătorul automat eCircuit.
Autor:
Ajay Sattu, onsemi
