Technologia węglika krzemu

Węglik krzemu (SiC) to wyjątkowo twardy, syntetycznie wytwarzany związek krzemu i węgla, który jest wykorzystywany do produkcji papieru ściernego, ściernic i narzędzi tnących, a także wykładzin do pieców przemysłowych, jako materiał ogniotrwały lub elementy grzejne.

SiC można przekształcić w półprzewodnik poprzez dodanie różnych zanieczyszczeń, które umożliwiają przepływ energii elektrycznej, dzięki czemu nadaje się do zastosowań wymagających zarówno wysokich temperatur, jak i poziomów mocy. Ta właściwość sprawia, że SiC jest obiecującym materiałem.

Wysoka temperatura

Wysokotemperaturowy węglik krzemu (SiC) jest idealnym materiałem do tworzenia elastycznej elektroniki zaprojektowanej tak, aby wytrzymać trudne i toksyczne środowiska, dzięki swoim doskonałym właściwościom fizycznym w porównaniu do sztywnych platform, w tym rozciągliwości i podatności na zginanie. Co więcej, SiC oferuje doskonałą odporność na utlenianie, a także wysoką temperaturę topnienia, dzięki czemu nadaje się do kompaktowych wysokotemperaturowych wymienników ciepła. W niniejszej rozprawie doktorskiej opisujemy metodę wytwarzania elastycznych czujników opartych na SiC na podłożach poliimidowych odpowiednich dla nieprzyjaznych środowisk.

SiC okazał się bardzo obiecujący jako półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym, oferując wyższe napięcia przebicia niż krzemowe odpowiedniki, jednocześnie oferując niższą rezystancję i temperaturę pracy. Szerokie pasmo zabronione pozwala na pracę w wyższych temperaturach.

Doskonała przewodność cieplna węglika krzemu czyni go doskonałym wyborem do zastosowań, w których urządzenia muszą wytrzymywać ekstremalne temperatury i wielokrotne nagrzewanie, takich jak pojazdy elektryczne (EV). Technologia ta umożliwia szybkie ładowanie przy jednoczesnym zminimalizowaniu liczby komponentów i ogólnych strat systemu; dodatkowo przyspiesza czas ładowania baterii od zera do pełnej pojemności, co ma kluczowe znaczenie dla jej przyjęcia i wdrożenia.

Niedawne postępy w dziedzinie układów scalonych i konwerterów mocy opartych na SiC pozwoliły na osiągnięcie wyższych temperatur pracy; jednak aby osiągnąć dalsze postępy, należy pokonać kilka wyzwań technicznych, w tym napęd bramki, pomiar prądu, dopasowanie parametrów między urządzeniami, technologię pakowania w celu dostosowania do warunków wysokiej temperatury pracy, opakowanie przystosowane do wysokich temperatur itp. Aby sprostać tym przeszkodom, naukowcy opracowują materiały i technologie odpowiednie dla środowisk o wysokich temperaturach, w tym spiekanie, wiązanie reakcyjne i wzrost kryształów, a także produkcję CVD SiC w postaci masowej do produkcji wafli.

Wysoka moc

Urządzenia zasilające z węglika krzemu rewolucjonizują sposób, w jaki myślimy o elektryczności. W porównaniu do swoich krzemowych (Si) poprzedników, nowa technologia SiC oferuje wyższe temperatury pracy, niższe straty przełączania, większą wydajność prądową i napięciową, a także zmniejszony rozmiar / wagę komponentów, co skutkuje radykalnym obniżeniem kosztów systemu.

SiC wyróżnia się jako wyjątkowy materiał o unikalnych właściwościach, które czynią go idealnym następcą krzemu w zastosowaniach wysokonapięciowych i prądowych. Składający się z krzemu (Si) i węgla (C), SiC może pochwalić się 10-krotnie większą siłą przebicia pola elektrycznego i 3-krotnie większą przerwą w paśmie w porównaniu do konwencjonalnego krzemu, dzięki czemu nadaje się do domieszkowania zarówno zanieczyszczeń typu p, jak i typu n, umożliwiając szereg technologii urządzeń zasilających, takich jak diody Schottky'ego i tranzystory MOSFET w dyskretnych lub modułowych obudowach.

W wieżach komórkowych wysokie napięcie przebicia SiC zasila wzmacniacze RF wykorzystywane do transmisji sygnałów bezprzewodowych między mobilnymi stacjami bazowymi a nadajnikami-odbiornikami bazowymi. Ponadto technologia ta jest wdrażana w systemach zasilania pojazdów elektrycznych (EV), gdzie okazała się korzystna dzięki dłuższym dystansom jazdy, a także większej oszczędności energii dzięki systemom zarządzania akumulatorami i falownikom z większymi funkcjami oszczędzania energii.

IDM i FET oparte na SiC charakteryzują się niższą rezystancją włączenia w porównaniu do IGBT opartych na krzemie, oferując jednocześnie 300-krotnie wyższe napięcie wytrzymywane i szybszą pracę, umożliwiając wyższe częstotliwości przełączania przy niższych kosztach chłodzenia, a także mniejsze elementy pasywne i prostsze układy magnetyczne. Co więcej, doskonała przewodność cieplna węglika krzemu umożliwia bardziej kompaktowe konwertery mocy, które można zamontować na mniejszych radiatorach, aby jeszcze bardziej zmniejszyć rozmiar, wagę i koszty systemu.

Wysokie napięcie

Półprzewodniki z węglika krzemu (SiC) oferują znaczącą przewagę nad standardowymi technologiami krzemowymi w zastosowaniach związanych z konwersją energii, szczególnie w odniesieniu do pól elektrycznych i temperatur. SiC może wytrzymać większe pola elektryczne, pozostając w niższych temperaturach, co oznacza lepszą wydajność przy niższych kosztach pod względem zajmowanej przestrzeni fizycznej lub ponoszonych kosztów; ta zaleta sprawia, że półprzewodniki te są szczególnie odpowiednie dla kluczowej infrastruktury, takiej jak infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych.

Urządzenia zasilające SiC są w stanie wytrzymać 10-krotnie wyższe krytyczne pole elektryczne niż urządzenia krzemowe, co czyni je doskonałym rozwiązaniem do zastosowań wysokonapięciowych. Co więcej, ich straty przewodzenia są znacznie mniejsze, co umożliwia szybsze przełączanie częstotliwości i większą wydajność.

Cechy te sprawiają, że komponenty te są idealne do zastosowań w sektorze energetycznym, w tym w przetwornicach mocy i układach sterowania silnikami. Ich lekka, ale wydajna konstrukcja pozwala projektantom zmniejszyć wagę i rozmiar komponentów, takich jak magnesy i cewki indukcyjne, w celu obniżenia kosztów projektu, przy jednoczesnym spełnieniu specyfikacji poziomu napięcia.

Urządzenia zasilające SiC mają przewagę pod względem wyższego napięcia przebicia, dzięki czemu mogą wytrzymać wyższe napięcia niż standardowe urządzenia krzemowe i nadają się do systemów zasilanych bateryjnie, w których duże prądy i temperatury muszą być skutecznie obsługiwane przez przełączniki zasilania.

Konwencjonalne krzemowe urządzenia zasilające wykazują niezwykle wysoką rezystancję warstwy n, gdy napięcie przebicia przekracza 600-800 V, więc aby przezwyciężyć to ograniczenie, mniejszościowe wstrzykiwanie nośników z regionu p może pomóc obniżyć tę rezystancję poprzez tworzenie nagłych złączy pn - ta forma urządzenia jest znana jako tranzystor bipolarny.

Firma Mitsubishi Electric zaprezentowała niedawno serię wysokonapięciowych tranzystorów IGBT z węglika krzemu (SiC), zaprojektowanych specjalnie do zastosowań przemysłowych. Te nowe urządzenia mogą zastąpić standardowe urządzenia krzemowe w systemach konwersji mocy, aby osiągnąć znaczne oszczędności energii przy jednoczesnej poprawie niezawodności w wysokonapięciowych sieciach przesyłowych prądu stałego.

Wysoka częstotliwość

Półprzewodniki mocy z węglika krzemu (SiC) o wysokiej częstotliwości pozwalają konwerterom mocy pracować szybciej, wydajniej i bardziej niezawodnie - kluczowe czynniki technologiczne w wielu transformacyjnych zastosowaniach, takich jak stacje ładowania pojazdów elektrycznych, zasilanie centrów danych i zasilacze serwerów. Co więcej, doskonałe właściwości termiczne sprawiają, że SiC jest doskonałym wyborem do stosowania w środowiskach o wysokiej temperaturze.

SiC jest wyjątkowy wśród półprzewodników, ponieważ jego przerwa energetyczna jest trzykrotnie szersza niż w przypadku krzemu, dzięki czemu jest w stanie wytrzymać znacznie wyższe temperatury, napięcia i częstotliwości bez degradacji w czasie. Umożliwia to projektantom zmniejszenie rozmiarów płyt przy jednoczesnym całkowitym wyeliminowaniu drogich elementów magnetycznych.

Szybkie półprzewodniki o szerokim paśmie przenoszenia (WBG) stanowią wyjątkowe wyzwanie, jeśli chodzi o szybkość przełączania; ich szybkie przełączanie może powodować skoki napięcia, szumy i niezgodność z przepisami dotyczącymi zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Aby zminimalizować te problemy, inżynierowie muszą projektować i testować swoje systemy przy użyciu precyzyjnych narzędzi pomiarowych i metodologii oraz stosować najlepsze praktyki, które minimalizują ryzyko pojawienia się tych problemów podczas opracowywania prototypu, kwalifikacji produktu lub nawet gorzej w terenie.

Niedawno znaczne zmniejszenie powierzchni matrycy dla urządzeń SiC pozwoliło im pracować przy wyższych częstotliwościach niż konwencjonalne układy oparte na krzemie, dzięki czemu dobrze sprawdzają się w kluczowych zastosowaniach energetycznych, takich jak TPPFC przy 100 kHz i soft-switching LLC przy 200-300 kHz. Nowe technologie, takie jak okopowe i kaskodowe tranzystory MOSFET, jeszcze bardziej zwiększą wydajność w zastosowaniach wymagających wysokich częstotliwości.

Rodzina chronionych patentem układów SiC GeneSiC firmy Navitas zapewnia szybką i wydajną konwersję mocy w zastosowaniach od 20 W do 20 MW, od 20 W do 6,5 kV, oferując wyjątkową przewodność, przełączanie, natężenie pola elektrycznego i odporność na pole elektryczne, co pozwala projektantom z łatwością wdrażać najnowocześniejsze topologie konwersji mocy średniego napięcia, takie jak konwertery dwupoziomowe lub transformatory półprzewodnikowe.

Wysoka prędkość

Urządzenia zasilające z węglika krzemu rewolucjonizują sposób przekształcania, kontrolowania i dystrybucji energii elektrycznej. Oferując liczne zalety w porównaniu do swoich krzemowych odpowiedników, półprzewodniki mocy SiC tworzą mniejsze, lżejsze systemy, które są bardziej wydajne i niezawodne - idealne do stosowania w pojazdach elektrycznych (EV) lub ładowarkach akumulatorów; zastosowania przemysłowe obejmują roboty lub automatyzację fabryk.

SiC jest idealny dla projektantów systemów poszukujących wzrostu wydajności dzięki wyższemu napięciu przebicia i szybkości przełączania, co czyni go idealnym do szybkich aplikacji, takich jak technologia mobilna 5G, która wymaga sprzętu o szybkości transmisji danych 20 razy większej niż 4G LTE. Ponadto urządzenia SiC charakteryzują się lepszą przewodnością i niezawodnością w porównaniu z tradycyjnymi półprzewodnikami mocy opartymi na krzemie.

Szerokie pasmo przenoszenia węglika krzemu pozwala elektronice działać w znacznie wyższych temperaturach, napięciach i częstotliwościach - kluczowych cechach szybkiej pracy - zmniejszając ogólne straty mocy, jednocześnie zmniejszając rozmiary i koszty urządzeń, poprawiając kwestie zarządzania temperaturą i umożliwiając stosowanie tańszych elementów pasywnych.

Mniejszościowe urządzenia nośne, takie jak tranzystory IGBT, były kiedyś wykorzystywane do zarządzania wyższymi napięciami przebicia; jednak cierpią one z powodu zwiększonej rezystancji włączenia i strat przełączania przy wysokich częstotliwościach, co ogranicza ich zastosowanie w wielu aplikacjach energoelektronicznych. Z kolei urządzenia z nośnikiem większościowym, takie jak diody z barierą Schottky'ego i tranzystory MOSFET wytwarzane przy użyciu węglika krzemu, mogą obsługiwać wyższe napięcia wytrzymywane przy minimalnej rezystancji włączenia nawet przy wyższych częstotliwościach - co jest nieocenioną korzyścią przy projektowaniu aplikacji energoelektronicznych.

Tranzystory SiC MOSFET i diody Schottky'ego MPS firmy GeneSiC wspierają szybką i wysokowydajną konwersję mocy w różnorodnych zastosowaniach, takich jak ładowanie pojazdów elektrycznych / magazynowanie energii, sieć, pozyskiwanie / wytwarzanie energii słonecznej / wiatrowej, napędy silnikowe i systemy automatyki przemysłowej. Dzięki odporności temperaturowej, odporności na promieniowanie i innym cechom, które oferują te komponenty, projektanci mogą tworzyć niezawodne, ale opłacalne rozwiązania w mniejszych rozmiarach niż te wykonane z krzemowych odpowiedników.