Nu finns det på marknaden moduler, byggda med kiselkarbidkomponenter, som kan ersätta exempelvis IGBTer och ge lägre förluster och högre möjliga switchfrekvenser. Masanori Tanimura, Product Marketing ROHM Semiconductor GmbH, beskriver ger här en bakgrund till en ny modul som produceras i volymer.

Idag är behovet av högre effekt mer kritiskt än någonsin. Kiselrelaterade produkter för hög effekt har nått sina begränsningar. Komponenter som bygger på sammansatta (compounded) halvledarmaterial hamnade i intressecentrum därför att de levererar signifikant bättre prestanda än sina motsvarigheter i kisel. Det beror på ett bandgap som är tre gånger så stort, ett dielektriskt genombrottsfält som är 10 gånger högre och en termisk koefficient som är tre gånger större jämfört med kisel.

Fig  1. Enligt New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) kommer man under 2030 att kunna spara 53 900 000 kL/år (råoljeekvivalenter). Källa: Yole Development

Med ny utveckling och massproducerade SiC-komponenter ser vi allt fler applikationer, som exempelvis omvandlare för solceller eller elhybridbilar. ROHM visade nyligen en komplett SiC-modul som innehåller SiC MOSFETar och Schottky-barriärdioder i SiC. Den är färdig att volymproduceras.
Enligt New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) kommer man under 2030 att kunna spara 53 900 000 kL/år (råoljeekvivalenter). Se fig 1.
Fig 3 visar den förväntade tillväxten av SiC-substrat för fotoelektriska invertrar, vilket är en nyckeltillämpning där man behöver hög verkningsgrad.

Lång utvecklingstid
På grund av besvärliga metoder för tillverkning och kvalitetskontroll, och att SiC visade sig vara dyrbart, var kiselkarbiden under lång tid inte ett alternativ. Att utveckla kompletta SiC-moduler för effektändamål har varit omöjligt, trots många leverantörers stora anträngningar. Orsaken är ostabil tillförlitlighet vid hög temperatur.

Fig 2. Den förväntade utvecklingen av effekthalvledare i kisel och i kiselkarbid. Som framgår väntas marknaderna för respektive Si- och SiC-komponenter bli lika stora år 2019. Ökningen av waferstorlek, till 4 och till 6 tum, kommer att accelerera acceptansen av SiC. Källa: Yole Development

Tack vare ett integrerat tillverkningssystem, från wafer till montering, kunde ROHM anta dessa utmaningar genom unika screening-metoder och en teknik för att eliminera fel, vilket garanterar tillförlitlighet. Ett styrsystem implementerades för att förhindra den karakteristiska försämringen vid höga temperaturer (upp till 1700°C).
Resultatet av detta blev industrins första massproducerade SiC-effektmoduler. De förbättrade konstruktions- och tillverkningsprocesserna resulterade i utmärkt värmeavledning vilket bidrog till att miniatyrisering blev möjlig.

Ersätter IGBT
Det integrerade paret av SiC SBD och SiC MOSFET, i “stat-of-the-art”-klass, medger högfrekvenstillämpningar över 100 kHz, vilket är 10 gånger så hög frekvens som vad konventionella IGBT-moduler i kisel klarar, och till 85 procents lägre förluster. Dessa egenskaper gör dem till ideala ersättare av 200-300 A Si IGBT, Isolated Gate Bipolar Transistor. IGBT består av en bipolär transistor som styrs av styret till en integrerad MOSFET. De ger låg ON-resistans genom att tillåta ett flöde av inte bara elektroner, utan även av hål.

Fig 3. Fotoelektriska invertrar är en nyckeltillämpning där man behöver hög verkningsgrad. Kurvan illustrerar tillväxten av SiC-substrat.

Vanligtvis lider IGBT av höga switchförluster och klarar inte snabba förlopp på grund av den stora lagringstiden för injicerade hål. Att ersätta vanliga 400 A IGBT kan reducera utrymmet med 50 procent. Tack vare lägre värme avges krävs det mindre kylning vilket i hög grad gör miniatyrisering möjlig. SiC-modulen kommer till slut att levereras i en 122×46×17 mm stor kapsel (förutom anslutningsbenen).
Dessutom, och tack vare kontinuerliga förbättringar, har nya SiC MOSFETar används för att reducera ON-resistansen med 29 procent. ROHM har också löst problemet i anknytning till massproduktion av SiC SBD, sådana som likformigt utförda Schottky-kontaktbarriärer och en utformning av högresistiva lager av skyddsring som inte kräver högtemperaturprocesser. Av dessa skäl blir det möjligt att få en enhetlig produktion.

Lägre förluster
Slutresultatet är dramatiskt lägre förluster då modulen används tillsammans med andra komponenter i högfrekventa konstruktioner. Det minskar den monteringsyta som krävs medan kostnaderna för externa komponenter sjunker. Dessutom är resistansökningen på grund av ökad temperatur lägre än för kiseltransistorer, något som är en stor fördel i form av låga ledningsförluster då man arbetar med hög uteffekt.

Fig 4. Kretsschema för SiC-modulen.

I samband med att SiC SBD används i kraftaggregat förväntas dessa kunna bidra till att man kan utveckla mindre lågeffektsystem. SBDer (Schottky barriärdioder) har bra likriktaregenskaper på grund av Schottkyövergångens kontakt mellan metall och halvledare. Frånvaron av minneseffekten tack vare minoritetsbärare ger dioden utmärkt högfrekvenskarakteristik.
ROHMs forsknings- och utvecklingsaktiviteter omfattar även en utveckling av högeffektsmoduler som bygger på SiC trench-MOSFET och SBDer för att klara omgivningstemperaturer över 200°C.
Masanori Tanimura, produktmarknadschef ROHM Semiconductor GmbH

Filed under: Effekthalvledare