SiC czy GaN?

Z pewnością półprzewodniki takie jak SiC i GaN nie są już na rynku nowością, ale faktem jest, że w ostatnich latach ich popularność bardzo się zwiększyła, ceny zmalały, a dostępność się systematycznie poprawia. W efekcie od paru lat w wielu zastosowaniach SiC stanowią już rzeczywistą alternatywę dla elementów krzemowych i to mimo, że nadal są droższe.

Dobre parametry elektryczne tranzystorów z SiC zapewnione są nawet w wysokich temperaturach, co ułatwia budowę konwerterów energii i ogranicza wymagania związane z chłodzeniem, bo temperatura dopuszczalna złącza jest tutaj o 25–30°C większa niż dla półprzewodników krzemowych. Pozwala to na zmniejszenie powierzchni wymaganych radiatorów lub wydajności systemu chłodzenia. Nierzadko też przejście na elementy SiC umożliwia rezygnację z chłodzenia wymuszonego i zastąpienie go konwekcyjnym. Co więcej, tranzystory te są w stanie pracować przy 5× wyższych częstotliwościach kluczowania, co pozwala na redukcję wymiarów elementów magnetycznych i na przykład przejście na cewki powietrzne. Niewielkie prądy zerowe nawet w wysokich temperaturach zapewniają stabilne działanie i dużą niezawodność, co widać właśnie najbardziej w tych ekstremalnie trudnych warunkach otoczenia i zasilania.

Typowy MOSFET SiC pozwala utrzymać w ryzach straty mocy przy częstotliwościach rzędu 300 kHz, prądach 100 A, a więc tam, gdzie krzem już nie daje rady. SiC pozwala też na działanie z wysokim napięciem przewyższającym 1 kV przy niskiej RDS( ON) poniżej 100 mΩ dla tej wartości UDS. Jeśli chodzi o tranzystory z azotku galu GaN, to oferują one jeszcze lepsze parametry w zakresie przełączania z dużą częstotliwością, nawet 1 MHz przy dużym poziomie mocy.

Najważniejsze zjawiska techniczne na rynku półprzewodników mocy #4

 

Najważniejsze trendy techniczne podzespołów mocy to miniaturyzacja przy jednoczesnym wzroście obciążalności. Ważna jest też integracja komponentów w ramach modułów, dzięki czemu typowe rozwiązania mostków (układy 2-, 4-, 6-tranzystorowe) są dostępne jako jeden komponent. Ważne są ponadto elementy półprzewodnikowe SiC i GaN, które pozwalają spełnić wiele istotnych wymagań technicznych związanych ze sprawnością konwersji, miniaturyzacją, wysoką obciążalnością prądową, działaniem przy wysokim napięciu i podobnymi parametrami, a więc spełniają wszystkie oczekiwania inżynierskie. Praktycznie identyczny wykres i tak samo ułożona kolejność pojawiła się w naszym poprzednim opracowaniu poświęconym komponentom mocy sprzed trzech lat.

SiC i GaN - różnice

Tranzystory SiC MOSFET są bardzo podobne w budowie do swoich krzemowych odpowiedników, działają też na podobnej zasadzie. Przyłożone do bramki napięcie powoduje, że swobodne elektrony przemieszczają się do obszaru zubożenia i tworzą kanał przewodzący. Tranzystory MOSFET typu SiC jak i Si są produkowane zarówno w technologii planarnej, jak i trench (rowkowej). Prąd przepływa w nich od powierzchni górnej do dolnej.

Działanie elementów GaN opiera się natomiast na naturalnie występującym dwuwymiarowym gazie elektronowym (przemieszczające się elektrony swobodne) pomiędzy niedomieszkowaną warstwą GaN a n-domieszkowaną warstwą AlGaN. Podstawowa konstrukcja tranzystora musiała więc być zmodyfikowana, aby utworzyć tranzystor normalnie wyłączony. Ma on potoczne określenie eMode GaN. Element ten jest preferowany do zastosowań w energetyce.

Kolejną istotną różnicą jest rozmieszczenie wyprowadzeń. Technologia GaN wymaga, przynajmniej na razie, bocznego umieszczania wyprowadzeń. Prąd płynie więc równolegle do powierzchni elementu, a ponieważ praktycznie należy wykluczyć możliwość nakładania się elektrod drenu, bramki i źródła, pojemności wewnętrzne CDS, CGS i CGD są drastycznie mniejsze.

Typy komponentów o największym potencjale #5

 

Mimo szybko rodzącej się popularności półprzewodników szerokoprzerwowych cały czas największy potencjał rynkowy mają tranzystory mocy krzemowe (MOSFET i IGBT). Niemniej przewaga nad SiC i GaN nie jest duża i z roku na rok się zmniejsza. Zapewne, gdyby nie ich wyższe ceny oraz cały czas gorsza dostępność, SiC i GaN byłyby na szczycie. Rozwiązania w postaci modułów integrujących kilka tranzystorów w jednej obudowie to domena aplikacji o najwyższych mocach i bez wzglądu na technologię półprzewodnikową zawsze będą one potrzebne i używane, podobnie jak triaki i tyrystory.

Mając na uwadze wymagania dotyczące dużej gęstości mocy niezwykle małe pojemności przełączników GaN wyróżniają je na tle rozwiązań konkurencyjnych i sprawiają, że idealnie nadają się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, częstotliwości i szybkiego przełączania mocy.

Tranzystory GaN są stosowane w aplikacjach przeznaczonych na dwa różne zakresy napięciowe. Niskonapięciowe tranzystory GaN mają napięcia przebicia 200 V. W tej grupie przeważają tranzystory normalnie wyłączone, tzw. eMode. Zastosowania wysokonapięciowe odnoszą się do zakresu od 200 V do 650 V. W tej grupie są stosowane rozwiązania kaskadowe GaN lub eMode, w których normalnie włączony tranzystor GaN jest połączony szeregowo z normalnie otwartym niskonapięciowym krzemowym tranzystorem MOSFET o niskiej rezystancji RDSON, tworząc układ normalnie wyłączony.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu komponentów dużej mocy #6

 

Najważniejszym kryterium selekcji przy wyborze komponentu są parametry techniczne, jakość, termin dostawy oraz dostępny asortyment produktów u jednego dostawcy, czyli kompleksowe zaopatrzenie. To uniwersalny zestaw, który sprawdza się praktycznie zawsze. W omawianej grupie wyróżniono jeszcze znaczenie marki producenta, bo pozostałe kryteria są drugorzędne.

Z punktu widzenia projektantów zalety zamiany krzemowych przełączników na ich odpowiedniki wykonane na podłożu z azotku galu to wyższa sprawność konwersji, redukcja rozmiaru oraz wagi komponentów. Choć same układy GaN są wciąż droższe niż te wykonane z krzemu, całkowity koszt systemu może nie ulec znaczącemu podwyższeniu, a w wielu przypadkach nawet zostać obniżony. Wynika to z wyższej sprawności konwersji napięć (zatem obniżenia mocy strat), uproszczenia i redukcji rozmiaru pozostałych komponentów – np. radiatorów, kondensatorów czy elementów magnetycznych, takich jak transformatory. W efekcie uzyskać można mniejszy oraz bardziej wydajny układ zasilania.

Branże o największym potencjale zakupowym w odniesieniu do komponentów mocy #7

 

Niezmiennie od lat najbardziej wartościowi dla dystrybutorów klienci pochodzą z obszaru przemysłu, w drugiej kolejności z szeroko rozumianej branży zasilania. Systemy zasilania dużej mocy i konwersji energii to kolejny ważny obszar aplikacyjny, gdzie komponenty półprzewodnikowe zamieniają napięcia stałe na przemienne, łączą sieci zasilające na różnych potencjałach, ładują akumulatory itd. Znajdującą się na trzeciej pozycji energetykę odnawialną i dalej motoryzację rynek dystrybucji obsługuje w ograniczonym zakresie, a więc poza tym, co potrzebują duzi producenci zaopatrujący się bezpośrednio u producentów. Dla takich odbiorców tranzystory i moduły wytwarza się ze specyficznymi oznaczeniami i w kastomizowanych obudowach. W motoryzacji odchodzi się dzisiaj od rozwiązań mechanicznych, a wiele innych modernizuje poprzez zamianę silnika lub układu wykonawczego na elektryczny z układem sterowania.

Wśród innych zalet, przełączniki GaN charakteryzują się mniejszą od układów krzemowych pojemnością bramki, a zatem koniecznością przeładowania mniejszej ilości ładunku podczas przełączania. Dzięki temu mają krótszy czas przełączania, co pozwala im na pracę z sygnałami o wyższej częstotliwości. W pojazdach elektrycznych przekłada się to na możliwość uzyskania dłuższego zasięgu lub obniżenia masy i wymiarów baterii. Natomiast tranzystory SiC mają ogólnie lepszą zdolność do pracy z wyższymi napięciami, charakteryzują się jednak nieco dłuższym czasem przełączania niż układy GaN. Z tego powodu dla zakresów napięć poniżej 1000 V przegrywają rywalizację z komponentami opartymi na azotku galu.