Viime aikoina on kiinnitetty paljon huomiota piikarbidi- eli SiC-tekniikkaan ja sen mahdolliseen käyttöön tehoelektroniikassa, mutta asiasta on syntynyt myös väärinkäsityksiä. On syytä oikoa vääriä oletuksia, jotta suunnittelijat voisivat olla varmempia SiC-komponenttien käyttämisestä tulevaisuudessa.

Osa piikarbidin ympärillä olevista sekaannuksista liittyy sovelluksiin, joissa SiC-kytkimiä voidaan käyttää. Esimerkiksi jotkut suunnittelijat uskovat, että SiC MOSFET -kytkimiä tulisi käyttää vain korvaamaan IGBT:t, kun taas galliumnitridi- eli GaN-kytkimillä tulisi korvata piipohjaiset MOSFET-kytkimet.

Esimerkiksi 650 voltin SiC MOSFETit tarjoavat kuitenkin erinomaisen suorituskyvyn kilpailukykyisellä R_DS(on)*Qg -arvolla ja estosuunnan varauksen minimaalisella elpymisajalla. Tämä tekee SiC-kytkimestä erinomaisen vaihtoehdon pii-MOSFETille vaativissa kytkentäsovelluksissa kuten tehokerrointa parantavissa TPPFC-korjaimissa (totem pole power factor correction) tai synkronisissa boost-muuntimissa.

Jotkut suunnittelijat taas uskovat, ettei SiC sovellu kovin korkeataajuisiin sovelluksiin ja että GaN-kytkintä tulisi sen sijasta käyttää suurta nopeutta vaativissa kytkentäsovelluksissa. Viime aikojen teknologinen kehitys on kuitenkin kutistanut piikarbidisirujen pinta-alaa, mikä parantaa niiden soveltuvuutta korkeataajuiseen (yli 100 kHz) toimintaan.

Tämän ansiosta SiC-kytkimiä voidaan nyt käyttää menestyksekkäästi esimerkiksi 100 kHz TPPFC-sovelluksissa ja pehmeästi kytkevissä LLC-kytkennöissä 200-300 kilohertsin taajuuksilla. Tämän lisäksi nousevat uudet teknologiat, kuten kaivantorakenteiset ja kaskodikytketyt SiC MOSFETit, parantavat entisestään suorituskykyä suurilla taajuuksilla.

Edellä mainittujen epäilyjen lisäksi jotkut suunnittelijat uskovat, että piikarbidi on vain kapean markkinaraon tekniikka, jonka suosio perustuu lähinnä menestykseen sähköautojen voimansiirtojärjestelmissä käytetyissä inverttereissä.

Entistä suuremman tehotiheyden ja energiatehokkaamman toiminnan vaatimus lähes kaikilla sovellusaloilla tarkoittaa kuitenkin sitä, että piikarbidin tarjoamat edut voivat hyödyttää myös monia vähemmän monimutkaisia piiritoteutuksia. Näitä ovat esimerkiksi sähköautojen sisäänrakennetut laturit (OBC), aurinkopaneelien (PV) tehomoduulit, uusiutuvan energian lähteet sekä pilvilaskennan tehonsyöttö.

Kuva 1. SiC-rakenteen kutistuessa yhdeltä kiekolta saadaan enemmän siruja, jotka myös yltävät entistä suuremmille taajuuksille.

Tehokytkimen valinta ja toiminta

Monet suunnittelijat käyttävät poiskytkevää negatiivista hilajännitettä estämään SiC-kytkimen ’hyppiminen’ tai syntyvien transienttien vuoksi vahingossa tapahtuva kytkeytyminen, mutta tämä ei ole erityisen tiukka vaatimus. On lukuisia esimerkkejä onnistuneista SiC-toteutuksista, joissa ei sovelleta negatiivista hilajännitettä. Kuten kaikessa suunnittelussa, tässäkin tulee noudattaa hyviä käytäntöjä, esimerkiksi tiukkaa layout-suunnittelua, joka minimoi loisefektit. Lisäksi hilaohjaimen on kyettävä nielemään riittävästi virtaa pitääkseen kytkimen vakaasti off-tilassa.

Liitoseristeinen hilaohjain voi olla hyväksyttävä joissakin sovelluksissa kuten TPPFC-korjaimissa. On kuitenkin syytä huomata, että galvaanisesti erotetut hilaohjaimet tarjoavat paremman kohinansiedon ja pystyvät myös käsittelemään paremmin kytkimen dv/dt-transientteja, mikä auttaa estämään virheellistä toimintaa. Koska SiC MOSFETit kytkevät nopeasti ja niillä on alhaisempi hilavaraus (Qg) kuin vastaavilla piikytkimillä, galvaanisesti erotettu hilaohjain tekee rakenteesta kestävämmän – jopa sovelluksissa, jotka eivät sitä ehdottomasti vaadi.

Nykyään monet erityisesti SiC-kytkimille tarkoitetut ohjaimet tarjoavat useita käteviä ominaisuuksia: negatiivinen hilaohjaus, DESAT, OCP, OTP ja muut suojaustoiminnot. Oikeantyyppisen hilaohjaimen valinta tekee SiC-kytkimen ohjaamisesta vähintään yhtä helppoa kuin piipohjaisen MOSFETin ohjaus.

Taloudellisuus, ekosysteemi ja toimitusketju

Yksi yleinen väärinkäsitys on, että piikarbidiratkaisut ovat kalliita. Pii-MOSFETiin verrattuna SiC-kytkin maksaa toki hieman enemmän, mutta jos ajatellaan tyypillistä 30 kilowatin piipohjaista tehoratkaisua, siinä 90 % kaikista kuluista muodostavat kytkennän vaatimat kelat ja kondensaattorit (60% ja 30%). Sen sijaan puolijohdekomponenttien osuus edustaa vain kymmentä prosenttia koko järjestelmän materiaalikuluista (BOM).

Oletetaan, että pii-MOSFETit korvataan SiC-kytkimillä. Silloin tarvittavat kapasitanssi- ja induktanssiarvot pienenevät noin 75 prosenttia, mikä vähentää merkittävästi kelojen ja kondensaattorien hintaa (sekä fyysistä kokoa). Säästö on selvästi suurempi kuin SiC-kytkimien aiheuttama kustannusten nousu.

Lisäksi piipohjaisten kytkinkomponenttien hyötysuhde on huonompi kuin SiC-kytkimillä, joten ne vaativat kalliita ja tilaa vieviä jäähdytyslevyratkaisuja. Tämän vuoksi SiC-ratkaisun BOM-kokonaiskulut ovat pienemmät kuin vastaavan piipohjaisen ratkaisun.

Piikarbidin tarjoama ekosysteemi kehittyy nopeasti, kun SiC-tekniikasta tulee sovellusten valtavirtaa. Jo nyt on kaupallisesti saatavilla laaja valikoima lukuisiin eri sovelluksiin tarkoitettuja SiC-kytkimiä ja niihin sopivia hilaohjaimia useisiin eri kotelotyyppeihin pakattuina. SiC-tekniikan tietämyspohja kasvaa koko teollisuudessa, kun valmistajat lisäävät tukeaan sovellussuunnittelutiimien, referenssisuunnitelmien, sovellusdokumenttien sekä simulointimallien ja -työkalujen avulla.

Komponenttien saatavuus (ei vain SiC:n) on viime aikoina ollut ongelmana joillakin aloilla. Äskettäin tapahtuneen GTAT-yhtiön ostamisen jälkeen onsemin toimitusketju on kuitenkin paljon aiempaa vankempi. Onsemi on ainoa laajan skaalan toimittaja, joka pystyy tarjoamaan SiC-komponenttien kaikki tuotantovaiheet päästä päähän: kiteenkasvatus, substraatti, epitaksointi, sirujen valmistus, luokkansa parhaat integroidut moduulit ja erilliskoteloidut ratkaisut.

Tukeakseen SiC-teknologian odotettua kasvua tulevien vuosien aikana onsemi aikoo viisinkertaistaa substraattitoimintojensa kapasiteetin ja tehdä merkittäviä investointeja laajentaakseen yhtiön siru- ja moduulituotannon kapasiteetin kaksinkertaiseksi kaikissa toimipisteissä tämän vuoden aikana. Sen jälkeen tuotantokapasiteettia on tarkoitus edelleen lähes kaksinkertaistaa ensi vuoden aikana halutun kasvunopeuden saavuttamiseksi.

Kuva 2. Onsemin toimitusketju kattaa kaikki vaiheet päästä päähän.

Vahva jännite- ja lämpökestävyys

Piikarbidi on puolijohdemateriaali, jonka laaja energiakaistojen väli (WBG) antaa SiC-kytkimelle paremman kestävyyden vyöryilmiötä vastaan. Termisesti generoitujen varauksenkuljettajien konsentraatio on paljon alhaisempi kuin piikomponenteilla.

On totta, että SiC-komponentin fyysinen koko on pienempi ja siten myös oikosulun sietoaika lyhyempi kuin IGBT-kytkimellä, mutta sopivan SiC-hilaohjaimen käytöllä voidaan kuitenkin varmistaa, että vika havaitaan nopeasti ja kytkin sammutetaan riittävällä turvamarginaalilla. Näin ollen SiC-kytkimiä voidaan käyttää luotettavasti ja turvallisesti sovelluksissa, joissa vaaditaan hyvää kestävyyttä.

Monissa sähköautoissa ollaan akkujännitteen osalta siirtymässä 400 voltin järjestelmistä 800 tai 1000 voltin tasolle. Aurinkopaneeleissa (PV) puolestaan tulojännitteet ovat nousemassa 600 voltista 1500 voltin tasolle. Jännitekestoisuuden tiukempien vaatimusten täyttämiseksi onsemi on kehittänyt sarjan 1700 voltin planaarisia M1 EliteSiC MOSFET -transistoreja, jotka on optimoitu nopeisiin kytkentäsovelluksiin. Näiden MOSFETien rinnalle yhtiö on tuonut myös valikoiman 1700 V SiC Schottky -diodeja.

Kuva 3. Onsemin 1700 V planaarinen M1 EliteSiC MOSFET.

Luotettava valinta

Kun tarkastellaan pii- ja piikarbidipohjaisia kytkinkomponentteja useilla eri mittareilla, käy selkeästi ilmi, ettei laajalle levinneillä piikarbidin hyödyntämistä koskevilla väärinkäsityksillä ole tosiasiallisia perusteita. Tämän vuoksi suunnittelijoiden tulisi olla luottavaisia tehdessään valintoja ja soveltaessaan monipuolista SiC-tekniikkaa omiin suunnitteluihinsa.