Laajan kaistaeron puolijohteet kuten piikarbidit (SiC) soveltuvat erinomaisesti autoteollisuuden ja uusiutuvan energian moderneihin sovelluksiin. Kun maailma on siirtymässä ympäristön kannalta kestävien energialähteiden käyttöön, on hyötysuhteen merkitys suurempi kuin koskaan.

Yksi keino lisätä hakkuriteholähteen hyötysuhdetta on vähentää kupari- ja kytkentähäviöitä. Haasteena tässä on kuitenkin se, että tasavirtaväylän jännitteet nousevat ja puolijohdeteknologioiden kehityksen tulee pysyä vauhdissa mukana. Nämä teknologiat ovat tärkeitä alan toimijoille ja ne mahdollistavat hiilidioksidin vähentämiseen tähtäävät toimenpiteet.

Tässä artikkelissa luodaan katsaus siihen, kuinka seuraavan sukupolven piikarbidipuolijohteita kehittämällä pystytään vastaamaan uusimpien sovellusten asettamiin haasteisiin. Lisäksi pohdimme, miten tärkeässä asemassa kestävä päästä päähän ulottuva toimitusketju on, kun halutaan taata jatkuva menestyminen.

Teknologia edistyy nopeasti erilaisten mitä moninaisimpien sovellusalueiden yli ulottuvien vetovoimatekijöiden ansiosta. Kun tarkastellaan kahta merkittävintä markkina-aluetta, teollisuustuotantoa ja autoteollisuutta, tärkeimmät vaikuttavat trendit ovat suorituskyvyn kasvattaminen, laitekoon optimointi ja havainnoinnin parantaminen kuvantunnistusta hyödyntämällä.

Teollisuustuotannon alueella mosfettien ja tehomoduulien kehittyminen mahdollistaa toteutusten energiatehokkuuden lisäämisen ja erilaisten teollisuusjärjestelmien järjestelmäkustannusten pitämisen järkevällä tasolla. Kaksi eniten hyötyvää aluetta ovat sähköautojen latausinfrastruktuuri sekä vaihtoehtoiset ja uudistuvat energiasovellukset kuten aurinkoenergian sovellukset.

Autoteollisuuden puolella suorituskyky on hieman hämäävästi linkitetty samaan sarjaan ajoneuvon koon, painon ja kojelaudan elektroniikan kustannusten kanssa. Piikarbidiratkaisujen käyttäminen IGBT-tehomoduulien sijaan sähköauto- ja hybridisovelluksissa on parantanut merkittävästi suorituskykyä ja samalla on hyötyjä saatu myös ajoneuvon keskusyksiköiden, ledivalaistuksen ja runkoelektroniikan parantuneesta tehonhallinnasta. 

Sähköauton invertteri on avainasemassa, koska se vaikuttaa suoraan ajoneuvon suorituskykyyn ja siten ajoneuvon toimintamatkan määrittämiseen. Kun ajatellaan ajomatkoja, suurimman osan ajasta kevyellä henkilöajoneuvolla ajetaan vain vähän kuormitusta vaativissa olosuhteissa, jolloin suorituskyvyn paranemisen hyödyt ovat ymmärrettävät korvattaessa IGBT-ratkaisut piikarbidiratkaisuilla. Lisäksi ajoneuvossa olevan latauslaitteen tulee olla kooltaan mahdollisimman pieni. Pienemmät laitekoot on mahdollista saavuttaa vain käyttämällä laajan kaistaeron puolijohteita, jotka kestävät suuria kytkentätaajuuksia. Jokainen säästetty energiatippa edesauttaa sitä, että ajoneuvolla voidaan ajaa pidempiä matkoja, mikä vähentää huolta reitin varrelle jäämisestä.

Piikarbidin tuomat hyödyt uusissa sovelluksissa

Jokainen tehonmuunnos auto- ja teollisuussovelluksissa tapahtuu puolijohdepohjaisten kytkinlaitteiden ja diodien toimesta ollakseen tehokas ja vähentääkseen muunnoshäviöitä. Tämän takia puolijohdeteollisuus on pyrkinyt edistämään piipohjaisten puolijohdepiirien, erityisesti IGBT-, mosfet- ja diodipiirien, suorituskykyä tehosovelluksissa käytettäessä. Se yhdistettynä tehomuunnoksen topologioissa tehtyihin innovaatioihin on johtanut entistä parempaan suorituskykyyn.

Kuva 1: Piikarbiditeknologia hyödyttää hyvin monenlaisia sovelluksia.

Kun perinteisten piipohjaisten puolijohdepiirien rajat suorituskyvyn lisäämiseksi alkavat olla saavutettu, tarvitaan uusia materiaaleja. Niin sanotut laajan kaistaeron materiaalit kuten piikarbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN) ovat lupaavia tulevaisuutta ajatellen. Sähköisiltä järjestelmiltä odotetaan yhä parempaa suorituskykyä, integraatiotiheyttä ja luotettavuutta, jolloin varteenotettava vaihtoehto on piikarbiditeknologia.

Onpa sitten tehtäväprofiilissa ajoneuvon voimansiirto tai aurinkovoimainvertteri tai sähköauton laturi, piikarbidipohjaiset mosfetit ja diodit tarjoavat enemmän suorituskykyä pienemmillä järjestelmäkustannuksilla kuin perinteiset piipohjaiset IGBT:t ja tasasuuntaajat. Piikarbidin laaja kaistaero mahdollistaa sen, että se kestää suurempia jännitekenttiä kuin pii, jolloin käytännössä on mahdollista toteuttaa suuria lohkojännitteitä kuten 1700 ja 2000 volttia. Lisäksi piikarbidin elektroniliikkuvuus ja kyllästysnopeus ovat merkittävästi suurempia kuin piipiireillä, jolloin toiminta merkittävästi suuremmilla taajuuksilla ja liitoslämpötiloilla mahdollistuu, mikä tuo paljon etuja. Lisäksi piikarbidipohjaiset piirit kytkeytyvät suhteellisen vähäisin häviöin suurilla taajuuksilla, mikä pienentää kokoa, painoa ja kustannuksia vähentämällä magneettien, kondensaattorien ja muiden passiivisten komponenttien tarvetta.

Kuva 2: Laajan kaistaeron materiaalit kuten piikarbidi soveltuvat hyvin tehojärjestelmiin.

Huomattavasti pienemmät johtumislämpö- ja kytkentähäviöt tarkoittavat sitä, että piikarbidipohjaiset tehoratkaisut synnyttävät vähemmän lämpöä. Tämä yhdistettynä toimintakykyyn niinkin suurilla liitoslämpötiloilla (T_j) kuin 175 ºC tarkoittaa, että tarve lämmön poisjohtamiseen esimerkiksi tuulettimien tai jäähdytyslevyjen avulla vähenee oleellisesti, jolloin säästöjä saadaan järjestelmän koossa, painossa ja kustannuksissa sekä saavutetaan parempi luotettavuus jopa haasteellisissa, pieneen tilaan sullottavissa sovelluksissa.

Suurille jännitteille tarvetta

Laajan kaistaeron ominaisuuksiensa ansiosta piikarbidi kestää suurempia kriittisiä jännitekenttiä kuin pii, jolloin käytännössä on mahdollista siirtyä käyttämään suuria lohkojännitteitä kuten 1700 ja 2000 volttia. Tietylle wattimäärälle jännitteiden nostaminen pienentää kokonaisvirran kulutuksen vaatimuksia ja näin ollen vähentää kuparihäviöitä. Uusiutuvan energian sovelluksissa kuten aurinkoenergian valosähköisissä järjestelmissä valosähköisistä paneeleista saatava tasavirtaväylän jännite on noussut 600 voltista 1500 volttiin hyötysuhteen parantamista varten.

Vastaavasti kevyissä henkilöajoneuvoissa ollaan siirtymässä 400 voltin väylistä 800 voltin väyliin (jossain tapauksissa jopa 1000 voltin väylään) hyötysuhteen parantamiseksi ja latausaikojen lyhentämiseksi. Aikaisemmin oli tapana käyttää 750 voltin nimellisjännitteen piirejä 400 voltin väylän jännitteillä, mutta nykyisin tarvitaan suurempia jännitteitä kuten 1200 volttia ja jopa 1700 volttia mainittujen sovellusten luotettavan toiminnan takaamiseksi.

Uusinta teknologiaa

Entistä suurempien läpilyöntijännitteiden synnyttämään tarpeeseen onsemi on kehittänyt valikoiman 1700 voltin M1 planar EliteSiC -mosfetpiirejä, jotka on optimoitu nopeita kytkinsovelluksia varten. Saatavilla on esimerkiksi 1700 voltin V_DSS:llä ja -15/+25 voltin laajennetulla V_GS:llä varustettu NTH4L028N170M1-piiri. Piirin tyypillinen R_DS(ON)-arvo on ainoastaan 28 mΩ.

Uusi 1700 voltin mosfetti pystyy toimimaan jopa 175 ºC liitoslämpötiloissa (T_j), jolloin voidaan käyttää merkittävästi pienempiä jäähdytyslevyjä tai ne voidaan jättää kokonaan pois. NTH4L028N170M1-piirin neljännessä nastassa (TO-247-4L-kotelo) on Kelvin lähde -liitäntä, joka vähentää käynnistyksen yhteydessä tehohäviöitä ja hilakohinaa. Saatavissa on myös D2PAK-7L-kokoonpano koteloinnista johtuvien häiriöiden pienentämistä varten NTH4L028N170M1-piirin kaltaisissa piireissä.

Kuva 3: onsemin uusi 1700 voltin EliteSiC-mosfetti.

Saatavissa on myös 1700 voltin 1000 mΩ:n SiC-mosfetti TO-247-3L- ja D2PAK-7L-koteloituna versiona suurta luotettavuutta vaativiin lisätehonsyöttöyksiköihin, joita tarvitaan sähköauton lataus- ja uusiutuvan energian sovelluksissa.

Mosfettien lisäksi onsemi on kehittänyt valikoiman 1700 voltin SiC-pohjaisia Schottky-diodeja. Tällaisella nimellisjännitteellä D1-sarjan piirit tarjoavat entistä suuremman jännitemarginaalin diodin suurimman toistuvan estojännitteen huippuarvon (VRRM) ja toistuvan estojännitteen huippuarvon välille. Erityisesti uudet piirit pienentävät suurimman hetkellisen myötäjännitteen (VFM) arvoa ja tarjoavat jopa suurissa lämpötiloissa erinomaisen estovuotovirta-arvon, jolloin suunnittelu saadaan toimimaan stabiilisti suurilla jännitteillä kohonneissa lämpötiloissa.

Kuva 4: onsemin uudet 1700 voltin Schottky-diodit.

Saatavissa on NDSH25170A- ja NDSH10170A-piirit joko TO-247-2L-koteloituina tai paljaina siruina sekä koteloimattomana 100 A -versiona.

Toimitusketju on tärkeä

Koska joillakin aloilla toimitusketjuilla on ilmennyt vaikeuksia komponenttien saatavuuden suhteen, on tärkeää uusien piirien ja teknologioiden valintaa tehdessä ottaa huomioon tämä asia. Pystyäkseen takaamaan asiakkaille luotettavat toimitukset myös kysynnän kasvaessa nopeasti onsemi on ostanut GTAT:n. Tämä hankinta antaa vahvaa tukea toimitusketjuun ja sen lisäksi onsemi pystyy hyödyntämään GTAT:n teknistä osaamista. Nykyään onsemi on ainoa suuren skaalan toimittaja, jolla on käytettävissään päästä päähän ulottuva toimitusketju sisältäen piikarbidikiteiden massakasvatuksen, substraatit, epitaksian, piirinvalmistuksen, integroidut moduulit ja kotelointiratkaisut.

Odotettavissa olevan piikarbidipiirien kysynnän kasvun varalta onsemin suunnitelmissa on lähivuosina viisinkertaistaa substraattituotanto ja panostaa merkittävästi kaikkien tuotantotilojensa laajentamiseen piirien ja moduulien tuotannon kaksinkertaistamiseksi tämän vuoden aikana. Myös ensi vuoden aikana tuotantokapasiteettia aiotaan lisätä siten, että tuotanto edelleen lähes kaksinkertaistuu. Senkin jälkeen tuotantoa kasvatetaan samaan tahtiin.

Yhteenveto

Piikarbidi soveltuu suorituskykynsä ansiosta nykyajan haasteellisten autoteollisuuden, uusiutuvan energian alan ja teollisuustuotannon sovellusten suunnittelujen toteuttamiseen. Erityisesti piikarbidin tarjoama tehotiheys ja lämpöominaisuudet ovat merkittäviä.

Koska teknologia on vielä kypsytysvaiheessa, jatkuva kehitystyö ja edistysaskeleet tärkeimmillä sovellusalueilla tarkoittavat sitä, että myös piikarbiditeknologian oon pystyttävä vastaamaan näihin lisääntyviin vaatimuksiin. Eräänä esimerkkinä voidaan mainita entistä suurempia läpilyöntijännitteitä koskeva vaatimus, johon onsemi on pystynyt vastaamaan uusilla 1700 voltin SiC-mosfeteillä ja -diodeilla. Lisäksi onsemi kehittää 2000 voltin SiC-mosfettiteknologiaa ajatellen tulevia uusia sovelluksia aurinkoenergian, puolijohdemuuntajien ja sähköisten katkaisimien (eCircuit Breaker) alueilla.