Vaikka piikarbidi (SiC) on ollut tunnettu useita vuosikymmeniä, se nähdään edelleen ”uutena” teknologiana, johon ei vielä ole tarjolla samanlaista suunnittelua tukevaa ekosysteemiä kuin piipohjaisilla tuotteilla. Tämä ei pidä paikkaansa.

Elektroniikan komponentteja hyödyntävien kaupallisten laitteiden suunnittelijat ovat tottuneet siihen, että puolijohdevalmistajilla on heille tarjolla laaja valikoima suunnittelutyökaluja ja muita resursseja. Sen lisäksi, että tarjolla on jatkuvasti esitysmuotoaan parantavat pakolliset datatietolomakkeet, tuotteet on nykyisin säännönmukaisesti varustettu arviointitarvikkeilla, SPICE-malleilla ja simulointityökaluilla, referenssisuunnitteluilla, valintaoppailla, sovellusohjeilla ja muilla vastaavilla tukivälineillä, joiden tarkoituksena on mataloittaa suunnittelijan kynnystä ottaa mukaan osaluetteloon heidän komponenttejaan.

Edelleen suunnittelijat on pyritty varmistamaan ajatuksella, että useimmilla puolijohdevalmistajilla on toimivat toimitusketjut joko osana yrityksen omaa toimintaa tai käyttäen suuren tuotantokapasiteetin omaavia ulkopuolisia tuotantolaitoksia ja että komponentteja on tarjolla monenlaisilla kotelointivaihtoehdoilla.

Vaikka piikarbidi (SiC) on ollut tunnettu useita vuosikymmeniä, sen tuomat mahdollisuudet uusien sovellusten kuten sähköautojen ja aurinkoenergiamuuntimien yhteydessä on aiheuttanut sen, että se nähdään ”uutena” teknologiana, johon ei vielä ole tarjolla samanlaista suunnittelua tukevaa ekosysteemiä kuin piipohjaisilla tuotteilla. Tässä artikkelissa tuodaan esiin toimenpiteitä, joita onsemi on ottanut murtaakseen tuon myytin, esittelemällä joukon tukityökaluja tehoelektroniikan suunnittelijoille, joiden tavoitteena on kehittää SiC-pohjaisia sovelluskortteja.

Kuva 1: SiC-teknologian arvellaan olevan ”uutta”, koska se on noussut esille sähköautoihin liittyvien sovellusten yhteydessä.

SiC-komponenttien tarjonta monipuolista

Usein suunnittelijat ovat siinä käsityksessä, että SiC-komponenttien valmistajien tuoterepertuaari käsittää ainoastaan erillisiä diodeja, mosfettejä tai moduuleja, jotka on tarkoitettu käytettäviksi hyvin kapean alueen tehosovelluksissa. Todellisuus on kuitenkin toinen, sillä onsemi on viime aikoina julkistanut useita komponentteja kolmannen sukupolven EliteSiC-tuoteperheeseensä ja nykyisin tarjolla on yli 120 SiC-pohjaista yksi- ja yhteiskatodidiodia, joiden käyttöjännitteet vaihtelevat välillä 650-1700 V (mikä vastaa nykysuuntausta, jossa jännitteen lisäys pienentää latausvirtoja), ja monipuolinen valikoima kotelointeja mukaan lukien DPAK, D2PAK, TO ja PQFN. Yhtiön valikoimassa on myös yli sata erilaista SiC-mosfettiä (M1, M2, M3S), joiden käyttöjännitteet ovat 650, 900, 1200 ja 1700 V, ja valittavissa on D2PAK ja TO-koteloinnit.

Edellisten lisäksi onsemin tarjontaan kuuluu yli 30 EliteSiC-tehomoduulia (PIM) käsittäen SiC-mosfettejä ja SiC-diodeja, joiden jännitearvot yltävät 1200 V:iin. Tarjolla on myös yli 20 hybridimoduulia, joissa on sekä piipohjaisia IGBT-piirejä että SiC-piirejä, jolloin saadaan käyttöön pii- ja SiC-teknologioiden parhaimmat ominaisuudet. Nämä edistykselliset moduulit on optimoitu suurta suorituskykyä ja laajaa lämpötila-aluetta vaativiin toimintoihin erilaisissa tehosovelluksissa, joissa edellytetään teollisuus- ja autoympäristön asettamien lämpötilavaatimusten täyttymistä. SiC-kytkinlaitteet vaativat erityisohjaimia yhteismuotoisten transienttihäiriöiden eliminoimisen (CMTI) vuoksi ja onsemilla on tähän tarjolla useita hilaohjaimia kuten NCP51705 ja NCP51561, jotka on suunniteltu ohjaamaan SiC-mosfettejä.

Kuva 2: Uusimpia EliteSiC-tuotteita ovat 1200 V:n M3S SiC MOSFETit ja SiC-moduuli standardissa F2-kotelossa.

Kokeilukortit ja referenssisuunnittelut

Piipohjaisten vastinkappaleiden tavoin onsemin EliteSiC-tuotetarjontaa on tukemassa kokeilukortit, joiden avulla suunnittelijat voivat nopeasti ja tehokkaasti tutkia laitteiden tarjoamia ominaisuuksia ja hyötyjä. Onsemi myös kehittää jatkuvasti referenssisuunnittelujaan demonstroimalla prototyyppejä tuoteratkaisuistaan kuten SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK-referenssialusta nopealle 25 kW DC EV -latauslaitteelle, joka perustuu SiC PIM -moduuliin. Tämä kokonainen SiC-ratkaisu käsittää tehokerroinkorjaimen (PFC) ja DC-DC-asteet useille 1200 V:n jännitteille, SiC-pohjaiset 10 mohmin NXH010P120MNF1-puolisiltamoduulit, joilla on matala RDS(on) ja joiden parasiittinen induktanssi vähentää johtavuus- ja kytkentähäviöitä merkittävästi.

Kuva 3: onsemin SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK DC -laturin referenssisuunnittelu (vasemmalla kaksitoiminen silta-aste ja oikealla PFC-aste).

Suunnittelu- ja simulointityökalut

Tehoelektroniikan suunnittelijat käyttävät usein simulointityökaluja varmistaakseen suunnittelun toiminnan ennen kuin tehdään lopulliseen suunnitteluun liittyviä kustannus- ja työmääräarvioita ja toteutetaan piirikortti. Ohjelmistosimulaattorit käyttävät SPICE-malleja ennustaakseen matemaattisesti piirin käyttäytymistä. Jos suunnittelijalla ei ole aiempaa kokemusta SiC-laitteiden suunnittelemisesta, nämä työkalut helpottavat olennaisesti heitä omaksumaan heille ennestään tuntemattoman teknologian haltuunottoa. Onsemi on kehittänyt fyysisiä, skaalattavia SPICE-malleja SiC-tuotteilleen. Lisäksi Elite Power Simulator antaa suunnittelijoille tarkan esityksen siitä, miten heidän suunnittelemansa piiri toimii, kun käytetään EliteSiC-perheen tuotteita, myös teknologiaan liittyvissä pulmakohdissa.

Tavallisia PLECS-malleja käyttäviä teollisuusjärjestelmätason simulaattoreita soveltuvat ainoastaan kovaan kytkentään, jolloin pehmeän kytkennän sovellusten simulointitulokset jäävät varsin epätarkoiksi. Onsemi on kuitenkin kehittänyt edistyneitä PLECS-malleja, jotka soveltuvat sekä kovan että pehmeän kytkennän sovelluksiin kuten LLC- ja CLLC-resonantteihin, kaksoisaktiivisiltoihin ja vaihetta siirtäviin täyssiltoihin. Kestävät mallit ovat käyttökelpoisia monilla SPICE-simulointialustoilla kuten Pspice, Ltspice, Simetrix, Spectre, ADS, SABER ja Simplorer.

Itsepalveluperiaatteella toimivat onsemin PLECS-malligeneraattorit tarjoavat tehoelektroniikan suunnittelijoille suorituskykyä ja vapautta kehittää asiakaskohtaisia tarkkoja järjestelmätason PLECS-malleja. Suunnittelijat voivat käyttää kehittämiään malleja suoraan omalla simulointialustallaan tai ladata ne Elite Power Simulator -simulaattoriin simulointia varten. Mallien kehitys perustuu tavallisen tai pahimman tapauksen reunaehtoihin, jotta asiakkaalle tehty suunnittelu pysyy teknologian asettamien rajojen sisäpuolella. Mahdollisuus määritellä sovelluskohtaisia häiriöitä takaa, että kehitetyillä PLECS-malleilla saadaan hyvin tarkat tulokset asiakkaan järjestelmätason simuloinneilla.

Kuva 4: Elite Power Simulatorin ja Self-Service PLECS -malligeneraattorin valintaprosessi.

Materiaalien laatu

Siinä missä piikarbidin fyysiset ominaisuudet tekevät siitä hyvin lupaavan puolijohdemateriaalin suuritehoisten elektroniikkakomponenttien valmistamiseksi, piikarbidimateriaalin erityishaasteena on sen alttius moniin potentiaalisiin prosessista johtuviin luotettavuuteen liittyviin häiriöihin, etenkin kun tuotteelta edellytetään suurinta mahdollista luotettavuutta. Näiden häiriöiden eliminointi edellyttää häiriömallien ja -mekanismien ymmärtämistä sekä niiden jäljittämistä häiriöanalyysitekniikoita käyttäen, jotta prosessin heikot kohdat tunnistetaan, ja tuotantoprosessiin sulautettujen sopivien korjaavien toimenpiteiden suorittamista.

Tässä auttaa ekstensiivinen puolijohdekiekko- ja tuotetason laadunvarmistus, jota varten onsemi on kehittänyt monipuolisen toimintoja yhdistelevän metodologian, jolla voidaan arvioida SiC-tuotteet ennen niiden turvallista markkinoille päästämistä. Yhdistelmä tiukkaa suunnittelumetodologiaa, tarkkaa tuotannon valvontaa, tuotannon ohjausta, tarkoituksenmukaista seulontaa ja kestäviä laatuproseduureja muodostaa perustan onsemin kestävien ja luotettavien SiC-tuotteiden valikoimalle.

Vertikaalisesti integroitunut toimitusketju

Yksi eniten suunnittelijoita arveluttavista asioista koskien siirtymistä käyttämään SiC-komponentteja kytkentäsuunnitteluissaan on kyseisten komponenttien saatavuus (tai toimitusvaikeudet) oikea-aikaisesti ja tarpeen mukaisesti. Tämän on syynä väärä käsitys, että SiC-komponenttien valmistamisen pullonkaulana olisi rajallisesti saatavissa oleva tuotantokapasiteetti. Onsemin SiC-komponenttien tuotantoketju alkaa yksittäisten kiteiden kasvattamisesta piikarbidimateriaalissa Hudsonin New Hampshiressä olevalla tuotantolaitoksella, jossa ensin tuotetaan puolijohdekiekkosubstraatit. Sen jälkeen kasvatetaan ohut epi-kerros substraattien päälle, minkä jälkeen seuraa useita prosessivaiheita ennen lopullista tuotantovaihetta eli komponentin kotelointia.

Koko valmistusprosessi on vertikaalisesti integroitu alusta loppuun sisältäen kattavat luotettavuus- ja laatutestaukset kussakin prosessivaiheessa siten, että tuloksena on mahdollisimman virheetön tuote. Vertikaalisesti integroitunut tuotantoketju tarjoaa useita etuja kuten skalattavuuden, erinomaisen laadun ja tuotantokustannusten pitämisen kurissa. Onsemi laatutestaa kaikki SiC-tuotteensa sadan prosentin nimellisjännitteellä ja 175 ºC lämpötilassa.

Komponentit ovat myös sataprosenttisesti vyöryilmiön kestäviä, itseisjohtavalta hilaoksidiltaan luotettavia ja kosmisen säteilytestauksen läpäisseitä. Lisäksi laadunvarmistusta on lisätty virheiden skannauksella, joka suoritetaan ennen ja jälkeen epitaksiaalikasvatuksen. Vertikaalisesta integroinnista on myös se hyöty, että tuotantovolyymit ovat nopeasti skaalattavissa ja että prosessit pystyvät nopeasti reagoimaan takaisinkytkennän ansiosta saamaansa tilannetietoon kussakin tuotantoketjun vaiheessa. Onsemi on ainoa laajan valikoiman tarjoava SiC-komponenttien ja -ratkaisujen toimittaja, jonka tuotantoketju kattaa alusta loppuun.

Kuva 5: onsemin vertikaalisesti integroitunut tuotantoketju.

Yhteenveto

Onsemi on järjestelmällisesti tehnyt työtä sen eteen, että tehoelektroniikan suunnittelijoiden parissa lisääntyy tietämys siitä, ettei piikarbidi ole puolijohdemateriaalina sen ”uudempi” tai heikommin tuettu teknologia kuin piipuolijohdekaan. Onsemi on jatkuvasti lisännyt tukeaan ekosysteemille tarjoamalla laajan (ja yhä lisääntyvän) valikoiman SiC-erilliskomponentteja ja -moduuleja sekä niitä tukevia kokeilukortteja, referenssisuunnitteluja, simulointimalleja ja -työkaluja, tehokkaita ja perusteellisia laadunvalvonnan välineitä yhdistettynä luotettavaan vertikaalisesti integroituneeseen toimitusketjuun.