Piikarbidin hyödyntäminen tehojärjestelmissä on tulossa uuteen vaiheeseen. Huomiota kiinnitetään nyt erityisesti järjestelmien kokonaisvaltaiseen suunnitteluun, kytkinkomponenttien luotettavuuteen ja uusiin hilaohjaustekniikoihin, kerrotaan tuoreen ETNdigi-lehden artikkelissa.

Piikarbidiin (SiC) perustuvan tekniikan kysyntä jatkaa kasvuaan. Sen avulla voidaan maksimoida nykyisten teho- järjestelmien hyötysuhde ja samalla kutistaa niiden kokoa, painoa ja kustannuksia. SiC-ratkaisut eivät kuitenkaan voi suoraan korvata piikomponentteja eivätkä ne ole keskenään samanlaisia.

Piikarbidin lupausten toteuttamiseksi kehittäjien on arvioitava huolellisesti eri tuotteiden ja toimittajien väliset erot liittyen laatuun, toimitusvarmuuteen ja tukipalveluihin. Lisäksi on ymmärrettävä, kuinka voidaan optimoida piikarbidipohjaisten tehokomponenttien integrointi loppujärjestelmiin.

KÄYTTÖ KASVAA NOPEASTI

SiC-tekniikan käyttöönottoa kuvaavat käyrät osoittavat jyrkästi ylöspäin. Tuotteiden saatavuus on parantunut ja samalla useiden komponenttitoimittajien valikoimat ovat laajentuneet. Markkinat ovat kaksinkertaistuneet viimeisten kolmen vuoden aikana ja niiden ennustetaan kasvavan noin 20-kertaiseksi yli 10 miljardiin dollariin seuraavan kymmenen vuoden aikana.

Ajoneuvopuolen hybridi- ja sähköautojen (H/EV) moottorinohjausjärjestelmien lisäksi käyttöönotto yleistyy muun muassa junissa, raskaissa ajoneuvoissa, teollisuuskoneissa ja sähköautojen latausjärjestelmissä. Myös ilmailu- ja sotilaspuolen komponenttitoimittajat pyrkivät saamaan SiC- tuotteiden laatu- ja luotettavuustasot vastaamaan näiden sovellusalojen tiukkoja kestävyysvaatimuksia.

Tärkeä osa SiC-teknologian kehitysohjelmaa on piikarbidiosien luotettavuuden ja kestävyyden todentaminen, koska niissä on suuria eroja eri toimittajien välillä. Kokonaisjärjestelmien merkityksen kasvaessa suunnittelijoiden on kyettävä myös evaluoimaan eri toimittajien tuotetarjonta.

On tärkeää, että suunnittelijat tekevät yhteistyötä sellaisten toimittajien kanssa, jotka pystyvät tarjoamaan joustavasti erilaisia ratkaisuja kuten sirutasoisia, erilliskoteloituja ja moduulitason vaihtoehtoja, joita tuetaan maailmanlaajuisella jakelulla, tuotetuella sekä kattavilla piirisuunnittelun simulointi- ja kehitystyökaluilla.

Tulevaisuutta turvaavaan suunnitteluun panostavien kehittäjien on myös tutkittava uusimmat tekniikan tarjoamat ominaisuudet. Näitä ovat esimerkiksi digitaaliset ohjelmoi- tavat hilaohjaimet, joiden avulla voidaan ratkaista aiemmat toteutusongelmat ja mahdollistaa järjestelmän suorituskyvyn ’virittäminen’ suoraan näppäimistöltä.

KOLME TÄRKEÄÄ TESTIÄ

SiC-komponenttien luotettavuuden evaluoimiseksi on luotu kolme tärkeää testiä, joiden avulla määritetään vyöryvirran sietokyky, oikosulkujen sietokyky sekä SiC MOSFET -kytkimen runkodiodin luotettavuus.

Riittävä vyöryvirran sietokyky on kriittinen tekijä: jopa passiivisen komponentin aiheuttama pieni toimintahäiriö voi aiheuttaa jännitteisiin transienttipiikkejä, jotka ylittävät nimellisen läpilyöntijännitteen. Tämä saattaa viime kädessä johtaa kytkin- komponentin tai mahdollisesti koko järjestelmän vikaantumiseen.

Hyvin vyöryvirtaa sietävät SiC- MOSFET -kytkimet vähentävät vaimennuspiirien tarvetta ja pidentävät sovelluksen elinikää. Korkeimmalle luokiteltujen kytkimien UIS-suorituskyky (Unclamped Inductive Switching) on jopa 25 joulea neliösenttiä kohti (J/cm2). Näillä komponenteilla on nähtävissä vain vähäistä parametrien heikentymistä jopa 100 000 sykliä kestävän RUIS- testin (Repetitive UIS) jälkeen.

Toinen tärkeä testi on oikosulun sietoaika SCWT (Short Circuit Withstand Time) eli maksimiaika, jonka kytkinkomponentti kestää rikkoutumatta, kun jännitelinjat oikosuljetaan. Lukeman tulisi olla lähellä tehonmuuntosovelluksissa käytettävien IGBT-transistorien tuloksia, jotka yleensä ovat 5-10 mikrosekunnin luokkaa. Riittävän SCWT-arvon varmistaminen antaa järjestelmälle mahdollisuuden korjata vikatilanne ennen vaurioitumista.

Kolmas keskeinen mittari on SiC-pohjaisen mosfetin sisäisen runkodiodin myötäsuuntaisen jännitteen vakaus. Tämä voi vaihdella huomattavasti eri toimittajien tuotteiden välillä. Ilman tehokytkimen oikeaoppista suunnittelua, käsittelyä ja materiaalivalintoja tämän diodin johtavuus voi heikentyä käytön aikana, minkä seurauksena johtavan tilan nielu-lähde -resistanssi (RDSon) kasvaa.

Kuva 1 valaisee eroja käytännössä. Ohion yliopiston tekemässä tutkimuksessa evaluoitiin kolmen eri toimittajan MOSFET-kytkimiä. Kehnoimmassa tapauksessa toimittajan B kaikissa komponenteissa nähtiin myötävirran selvää heikkenemistä, kun taas toimittajan C kytkimissä heikentymistä ei havaittu lainkaan.

Kuva 1. SiC-pohjaisten MOSFETien ominaiskäyrissä nähtävät erot runkodiodin johtavuudessa myötäsuuntaan. Lähde: Anant Agarwal ja Min Seok Kang, Ohio State University.

TUKEA JÄRJESTELMÄTASON SUUNNITTELUUN

Toimittajien lukumäärän kasvaessa tämän päivän SiC-yhtiöt voivat poiketa toisistaan tuotevaihtoehtojen määrissä, kokemuksessa ja infrastruktuurissa, joita tarvitaan monilla tiukoilla SiC-markkinoilla kuten autojen, lentokoneiden ja sotilaslaitteiden valmistuksessa.

Tehojärjestelmien piirisuunnitelmia parannellaan jatkuvasti sekä ajan mittaan että eri sukupolvien sisällä. SiC-sovellukset eivät poikkea tästä. Varhaisen sukupolven järjestelmissä on voitu käyttää yleisesti saatavilla olevia ja tavanomaisia erilliskomponentteja standardiratkaisuissa piirilevyn reikiin asennettuina tai pintaliitosversioina.

Kun sovellusten määrä kasvaa ja suunnittelijat keskittyvät järjestelmän koon, painon ja kustannusten pienentämiseen, piirisuunnitelmat siirretään yleensä integroituihin tehomoduuleihin tai valitaan kolmas osapuoli kumppaniksi.

Näihin kolmansien osapuolten kumppanuuksiin kuuluvat lopputuotteen suunnittelutiimi, moduulinvalmistaja ja SiC-komponenttien toimittaja. Kullakin on kriittinen rooli yleisten suunnittelutavoitteiden saavuttamisessa.

Toimitusketjuun liittyvät kysymykset muodostavat keskeisen ja perustellun huolenaiheen nopeasti kasvavilla SiC-markkinoilla. Piikarbidi-substraatti on kallein materiaali SiC-kiekkojen valmistuslinjalla. Lisäksi piikarbidi vaatii tuotannossa korkeita lämpötiloja sietäviä laitteita, joita ei tarvita piipohjaisten tehokomponenttien ja IC-piirien valmistuksessa.

Suunnittelijoiden on varmistettava, että SiC-toimittajilla on käytössä vankka toimitusketjun malli, joka sisältää useita tuotantopaikkoja luonnon- katastrofien tai mittavien saanto-ongelmien varalta, jotta tarjonta voi aina vastata kysyntään.

Monet komponenttien toimittajat käyttävät myös vanhoja, elinkaaren loppupuolella olevia EOL-tuotantolaitteita (end-of-life), mikä pakottaa suunnittelijat uhraamaan aikaa ja resursseja olemassa olevien sovellusten uudelleensuunnitteluun sen sijaan, että kehittäisivät uusia innovatiivisia piirisuunnitelmia, jotka auttavat alentamaan lopputuotteen kustannuksia ja kasvattamaan tuottoja.

Suunnittelun tukeminen on myös kriittinen tekijä. Siihen kuuluvat muun muassa simulointityökalut ja referenssisuunnitelmat.

SiC-tehokytkimien ohjaamiseen ja hallintaan tarkoitettujen ratkaisujen avulla kehittäjät voivat tutkia uusia ominaisuuksia, kuten lisättyä kytkentää hyödyntävää AS-ohjaustekniikkaa (Augmented Switching), jotta koko järjestelmän kattava lähestymistapa voidaan hyödyntää laajasti.

Kuvassa 2 on esitetty SiC- pohjaisen järjestelmän modulaarinen rakenne. Siihen on liitetty digitaalinen ohjelmoitava hila- ohjain, joka nopeuttaa entisestään tuotantoon siirtymistä ja luo uusia tapoja optimoida piiri- suunnitelmia.

UUSIA VAIHTOEHTOJA OPTIMOINTIIN

Digitaalisen ohjelmoitavan hilaohjaimen tarjoamat vaihtoehdot maksimoivat piikarbidin tuomat edut lisättyä kytkentää hyödyntävän AS-ohjauksen avulla. Ne mahdollistavat SiC MOSFET -kytkimen käynnistys/sammutus- aikojen ja jännitetasojen helpon konfiguroinnin, jolloin suunnittelijat voivat kasvattaa kytkennän nopeutta ja nostaa järjestelmän hyötysuhdetta vähentäen samalla hilaohjaimen kehittämiseen tarvittavaa aikaa ja monimutkaisuutta.

Sen sijaan, että piirilevyä muutettaisiin manuaalisesti, kehittäjät voivat optimoida SiC-pohjaisen piirisuunnitelmansa konfigurointiohjelman avulla vain näppäimiä painamalla ja samalla suojata niitä tulevaisuudessa tapahtuvilta muutoksilta. Näin voidaan myös nopeuttaa järjestelmän tuontia markkinoille sekä parantaa hyötysuhdetta ja vikasietoisuutta.

SiC-komponenttien varhaiset omaksujat ymmärtävät jo tekniikan tarjoamat edut autoteollisuudessa, ilmailualalla ja sotilastekniikassa käyttöönoton yleistyessä yhä laajemmille sovellusalueille. Piikarbidin menestys riippuu jatkossakin toimittajien kyvystä vahvistaa SiC-komponenttien luotettavuutta ja kestävyyttä.

Kehittäjät omaksuvat kokonaisratkaisuihin tähtäävän strategian ja haluavat pääsyn laajoihin tuotevalikoimiin, joita tuetaan globaalisti kattavilla ja luotettavilla toimitusketjuilla sekä kaikilla tarvittavilla suunnittelun simulointi- ja kehitystyökaluilla. Suunnittelijoille luodaan samalla uusia mahdollisuuksia suojata investointeja tulevaisuuden muutoksilta ohjelmallisesti ohjelmoitavan suunnittelu- optimoinnin avulla, joka on mahdollista digitaalisesti ohjelmoitavan hilaohjauksen keinoin.

Microchipin Orlando Esparzan kirjoittama artikkeli löytyy uudesta ETNdigi-lehdestä.