Węglik krzemu SiC – coraz bardziej popularny i dostępny

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.

Posłuchaj
00:00

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
michal.trzaskowski@richardsonrfpd.com

Richardson RFPD
www.richardsonrfpd.com

Powiązane treści
Podzespoły dla energoelektroniki są przepustką w nowoczesność
Wolfspeed buduje największy na świecie zakład produkcji materiałów z węglika krzemu
Tainergy rozpocznie produkcję płytek SiC
Zobacz więcej w kategorii: Prezentacje firmowe
Komponenty
Kompaktowy format, pełna funkcjonalność - jak nowe e.MMC odpowiadają na wymagania współczesnych projektów
Komponenty
Pojemnościowy przycisk dotykowy od Unisystemu
Produkcja elektroniki
Sprzęt lutowniczy firmy WELLER
Optoelektronika
Jak dobrać wyświetlacz do aplikacji? Poradnik od Unisystemu
Produkcja elektroniki
Odzież ESD w praktyce: bezpieczeństwo i komfort
Mikrokontrolery i IoT
Mikrokontrolery PIC32CZ CA: bezpieczeństwo połączone z komunikacją
Zobacz więcej z tagiem: Komponenty
Prezentacje firmowe
Kompaktowy format, pełna funkcjonalność - jak nowe e.MMC odpowiadają na wymagania współczesnych projektów
Prezentacje firmowe
Pojemnościowy przycisk dotykowy od Unisystemu
Gospodarka
Infineon przejmuje od ams OSRAM działalność w zakresie sensorów

Projektowanie układów chłodzenia w elektronice - metody obliczeniowe i symulacyjne

Rosnące straty mocy w nowoczesnych układach elektronicznych sprawiają, że zarządzanie temperaturą przestaje być jedynie zagadnieniem pomocniczym, a staje się jednym z kluczowych elementów procesu projektowego. Od poprawnego odprowadzania ciepła zależy nie tylko spełnienie dopuszczalnych warunków pracy komponentów, lecz także długoterminowa niezawodność urządzenia, jego trwałość oraz zgodność z obowiązującymi normami. W niniejszym artykule przedstawiono uporządkowane podejście do projektowania układów chłodzenia, obejmujące metody obliczania strat mocy, analizę termiczną oraz wykorzystanie narzędzi symulacyjnych, w tym modeli cieplnych implementowanych w środowiskach symulacji elektrycznych.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów