0

Węglik krzemu SiC – coraz bardziej popularny i dostępny

| Prezentacje firmowe

Materiały półprzewodnikowe o szerokiej przerwie energetycznej, w tym węglik krzemu (Silicon Carbide, SiC), są znane od wielu lat, a przyrządy na nich bazujące są rozwijane blisko pół wieku. Jednak dopiero od kilku lat SiC jest dostępny. SiC wykorzystywany jest tam, gdzie pożądana jest wysoka efektywność – niskie straty, wysoka częstotliwość przełączania, duża niezawodność oraz niewielkie wymiary.

Węglik krzemu SiC – coraz bardziej popularny i dostępny

Węglik krzemu ze względu na swoje zalety wypiera krzem z energoelektroniki. Ponad dziesięć razy mniejsza rezystancja w stanie przewodzenia oraz znacznie krótszy czas przełączania pozwalają na pracę na znacznie wyższych częstotliwościach z wyższą sprawnością. Zapewnia to mały RDS(ON), lepsze współczynniki temperaturowe i możliwość pracy w temperaturze 350°C oraz większą żywotność. W energoelektronice najczęściej wykorzystywane elementy z węgliku krzemu to diody Schottky’ego, tranzystory SiC MOSFET oraz moduły, które są równoległym połączeniem wielu struktur SiC w jedną całość.

Jak wynika z charakterystyk pokazanych w tabeli, technologia SiC zapewnia znaczącą przewagę w stosunku do rozwiązań charakterystycznych dla komponentów krzemowych.

 
Rys. 1. Węglik krzemu kontra krzem

Producenci komponentów dla elektroenergetyki dalej pracują nad udoskonalaniem technologii i wdrożeniem jej do przemysłu. Na rynku pojawiły się już tranzystory i moduły z węgliku krzemu trzeciej generacji, które mają rezystywność materiału rzędu 2,3 mΩ·cm2, co przekłada się na o 24% większą gęstość prądu w stosunku do poprzedniej generacji elementów SiC. Rys. 1. Węglik krzemu kontra krzem Przykładowy tranzystor C3M0016120K o napięciu znamionowym 1200 V i dopuszczalnym prądzie 112 A jest wytwarzany w niewielkiej obudowie TO-247-4L i ma dodatkową końcówkę dla źródła, tzw. pin Kelwina zastosowany w celu poprawy warunków sterowania dla drivera w czasie przełączenia tranzystora. Dodatkowa końcówka połączona wewnątrz struktury ze źródłem powoduje, że spadek napięcia na rezystancji wysokoprądowego połączenia źródła z wyprowadzeniem tranzystora i dalej i z płytką drukowaną nie oddziałuje negatywnie na napięcie wyjściowe sterownika tranzystora (VGS) a ponadto wpływa korzystnie na zmniejszenie indukcyjności pasożytniczych, a więc także wielkość oscylacji w obwodzie sterującym.

 
Rys. 2. Porównanie wielkości ładowarek Toyoty w zależności od technologii półprzewodnikowej

W maju 2019 na targach PCIM – największych targach elektroenergetycznych w Europie – firma Cree/ Wolfspeed zaprezentowała nowy moduł tranzystorowy trzeciej generacji o oznaczeniu CAB450M12XM3 bazujący wyłącznie na węgliku krzemu (Full SiC), a więc bez szafirowej warstwy podłożowej. Oprócz niewielkich wymiarów i dużej obciążalności (VDS 1200 V, IDS 450 A) ma on wbudowane wewnątrz czujniki pomiaru temperatury struktur oraz wyprowadzony pin Kelvina do bezpośredniego pomiaru napięcia na źródle.

 
Rys. 3. Moduł górnego i dolnego tranzystora do układu mostkowego z SiC o wymiarach 80×53×19 mm (VDS 1200 V, IDS 450 A)

Wymierne korzyści z zastosowania węgliku krzemu w wielu aplikacjach, takich jak: falowniki do systemów fotowoltaicznych, ładowarki akumulatorów, konwertery energii elektrycznej, napędy silników elektrycznych, nagrzewnice indukcyjne, powodują szybko rosnący popyt, który doprowadził do mniejszej dostępności elementów z węgliku krzemu i kolejek. Ograniczona podaż wynika także z licznych inwestycji producentów motoryzacyjnych w obszarze elektrycznej motoryzacji. One są motorem napędowym zapotrzebowania na komponenty z węglika krzemu.

 
Rys. 4. Korzyści z SiC w pojazdach o napędzie elektrycznym wg danych EPA (Environmental Protection Agency)

Warto zauważyć, że aby zaspokoić popyt, obniżyć ceny tranzystorów i zwiększyć ich dostępność, czołowy producent półprzewodników tego typu, firma Cree/Wolfspeed, ogłosił niedawno rozpoczęcie budowy nowej fabryki. Kosztem 1 mld dol. nastąpi 30-krotne zwiększenie możliwości produkcyjnych.

Michał Trzaskowski
Richardson RFPD