Elektronik I Norden » Si möter konkurrens från både SiC och GaN

Si möter konkurrens från både SiC och GaN

Posted on juni 21st, 2016 by Gunnar Lilliesköld

Årets internationella forskarseminarium om effekthalvledare i brett bandgap, ISICPEAW, ger belägg för att komponenter i kiselkarbid, SiC, i många effekttillämpningar, ger stora miljövinster jämfört med kisel, Si. Tekniken är nu mogen och konkurrenskraftig. Det samma gäller komponenter i galliumnitrid, GaN.

ISICPEAW arrangeras årligen i ett samarbete mellan SiC Power Center (ett initiativ av Acreo Swedish ICT, KTH och Swerea Kimab), Enterprise Europe Network och Yole Développement. Här ger vi ett referat av den avslutande debatten. Den leddes av Hong Lin, Yole Développement och där deltog Elena Barbarini, System Plus Consulting, Jeffrey B Casady, Wolfspeed (f d CREE), Philip Zuk, Transphorm, Martin Domeij, Fairchild Semiconductor och Gerald Deboy, Infineon Technologies. Se bilden ovan med nämnda personer i ordning f v.

Spirande bilmarknad
Med allt mer elektronik i bilar blir det än viktigare att kunna höja verkningsgraden i spänningsomvandlare, spänningsregulatorer och system för drivning och varvtalsreglering.
Kinimori Hamada, inbjuden talare från Toyota Motor Corporation, berättade på ISICPEAW hur Toyota redan för ett år sedan implementerade SiC-komponenter i volymtillverkning, i såväl en buss- som en bilmodell.

Kinimori Hamada

SiC är särskilt intressant vid hög effekt och medelhöga frekvenser (högre än för Si).
Laterala halvledare i GaN klarar väsentligt mycket högre frekvenser än Si-halvledare och där vid medelhög effekt. I framtiden kan vi komma att se vertikalt uppbyggda halvledare i GaN som klarar högre effekt.

Toyota var tidigt ute med att använda SiC i bilelektronik. Kinimori Hamada, nämnde att man redan 2008 introducerade SiC-komponenter i begränsad omfattning. Under 2014 började man penetrera marknaden. Jämfört med 2008 hade SiC-komponentpriserna sjunkit till en femtedel.
Företagets strategi är att mellan åren 2010 till 2015 bidra till att successivt minska koldioxidutsläpp med 90 procent. Framtidens bilar är hybridbilar, plug-in-hybrider och elbilar där trenden nu går mot att ersätta batterier med bränsleceller (FCHV, fuel cell hybrid vehicle). Toyota har sedan den 9 januari bränslecellbilen Mirai i reguljär drift. Den kan tankas på tre minuter, att jämföra med de mycket långa laddningstider man får vid laddning av batterier. Snabbladdning kan kraftigt förkorta laddtiden, men detta tär på batteriets livslängd.
Intressant i detta sammanhang är att Toyota har kunnat öka verkningsgraden i sina laddhybridbilar av modellen Prius med 12 procent, tack vare de använder MOSFET och dioder av SiC i elektronikkretsarna. I modellen Camry använder man genomgående SiC-halvledare.

Även Si gör framsteg
Gerald Deboy, från Infineon Technologies, uttryckte att effektkomponenter i kisel uppvisar kontinuerliga förbättringar i alla viktiga parametrar och är att föredra i många hård- och mjuk-switchade applikationer på måttliga switchfrekvenser. Nästa generation av ”superjunction”-transistorer, tillverkad i utprovade kiselprocesser, kommer att kunna switcha på högre frekvenser än idag. Utvecklingen av MOSFET, tillverkade i SiC, har nu nått så långt att de kan ge konkurrensfördelar i fråga om såväl goda prestanda som god tillförlitlighet.
– Vi ser dess fördelar i applikationer med hög effekt och hög spänning. GaN kan ge speciella fördelar i applikationer där man har krav på hög verkningsgrad i hög packningstäthet, som i ultrakompakta steg för effektfaktorkorrigering (PFC) och i DC/DC- och DC/AC-omvandlare.
– SiC och GaN kommer att samexistera med kiselbaserade teknologier.
För mycket höga effekter, i applikationer upp till några MW är det fortfarande användningen av Si IGBT som gäller och för effekter under 100 W används exempelvis Si superjunction, för switchfrekvenser upp till några hundra kHz. Kiselkarbidkomponenterna är intressanta i det att de klarar högre frekvenser i kombination med högre effekter. Snabbast är komponenter i GaN, för frekvenser upp till ca 10 MHz.

Användbar ”body diode”
En stor fördel med SiC-transistorer är att dess ”body”-diod kan utnyttjas. Laddningen i backriktningen (Qrr) är till skillnad från transistorer i kisel liten, vilket ger snabb återhämtning, likt en Schottkydiod.
I fälteffekt-transistorer kan man dessutom låta kanalen leda också i backriktningen vilket ger en ytterligare minskning av effektförlusterna. Det är en egenskap som kan bidra till högre verkningsgrad i switchade omvandlare.
Detsamma gäller Qrr i galliumnitrid. GaN har framför allt fördelen av att ha hög elektronrörlighet vilket skapar ger låga parasitkapacitanser och låg framresistans i en lateral HEMT i GaN.
Martin Domeij, Fairchild Semiconductor, tror att marknaden på sikt kommer att delas upp så att GaN-komponenter tar hand om spänningar upp till ca 500 V medan SiC väljs för högre spänningar. Kisel förväntas också fortsätta också att spela en viktig roll speciellt i applikationer där switch-frekvensen inte är så hög.

Martin Domeij

För SiC ser han följande fördelar:
* Snabbswitchande högspänningskomponenter med låga förluster i ledande tillstånd tack vare hög Ecrit.
* Idag finns det massproducerade 6 tums wafers med tillräckligt låg feltäthet.
* För SiC finns termisk oxid som tillåter massfabrikation av MOSFET.
* Högströms, vertikala komponenter har lågt Ron och Rth tack vare att wafern kan göras tunnare.
* Tillverkningsprocessen är kiselkompatibel, med undantag av några få högtemperatursteg.
Nackdelarna kan sammanfattas som förhållandevis dåliga SiC/SiO2-övergångar vilket ger lägre kanalmobilitet än för Si.
För GaN ser han följande fördelar:
* Utmärkta switchegenskaper och låg resistans i framriktningen.
* GaN-komponenter på kiselsubstrat ger en potential för att tillverka på stora wafers, vilket innebär lägre tillverkningskostnader.
* Vanliga tillverkningsprocesser för Si kan användas.
* För att lägga GaN på Si krävs en heteroepitaxi vilket ger risk för defekter, skeva och spruckna wafers.
* Det buffertskikt i AlN som krävs, därför att materialen har olika gitterkonstant, är en isolator. Därför är det svårt att tillverka vertikala strukturer. Laterala strukturer ger snabbare komponenter men begränsar å andra sidan möjligheten till hög ström.
* GaN-komponenters tillförlitlighet är ännu inte provade i fält.
* Tillförlitligheten påverkas särskilt av urladdningsströmmar och lavinenergi.
Konventionella HEMT är av typen utarmningsmod (depletion mode), vilket innebär att den är normalt ledande.
* Återvinningsmod (enhancement mode) är möjligt att åstadkomma, men den innebär viss påverkan av Rsp och Igss.

Tillförlitlig GaN
Philip Zuk, Transphorm, talade om 650 V GaN i massproduktion. Det han speciellt betonade var att företaget har lyckats åstadkomma vad han uttryckte som ”industrins mest tillförlitliga GaN-transistor” i detta spänningsområde. Den betecknas THP3207WS, har en on-resistans på 41 mohm och är kapslad i TO-247. Viktigt vid användning som switch är den låga laddningen Qrr = 175 nC.
Som jämförelse tog han upp den specifika on-resistansen. För en konventionell, planar MOSFET kan den ligga ned till 80 mohm-cm2, för en superjunction MOSFET är den mellan 30 och 6 mohm-cm2 och för en GaN FET av utarmningstyp under 8 mohm-cm2. Det innebär en signifikant utveckling mot lägre on-resistans!
Philip Zuk talade sig varm för att använda företagets 650 V GaN MOSFET för att nå låga förluster med brygglös totempoletopologi i en konstruktion för effektfaktorkorrigering.

Höjd verkningsgrad
Jeff Casaday, från företaget Wolfspeed (som tidigare hette Cree power RF), trycker på att man med SiC kan minska systemförluster tack vare minskade ledningsförluster. Dessutom går det att åstadkomma volymmässigt mindre produkter med SiC än med Si. En annan fördel med SiC är att det med dagens sjunkande priser på SiC-komponenter går att åstadkomma konstruktioner som realiseras till 20 procents lägre komponentkostnad, tack vare att enklare konstruktioner är möjliga att genomföra.

Jeff Casaday.

Han berättade hur deras 900 V SiC MOSFET sitter i en Ford Focus EV, med 90 kW elmotor. Genom att byta ut Si-effekthalvledare mot motsvarande SiC kunde man sänka effektförlusterna i styrelektroniken med 65 procent i stad och 73 procent på motorväg.
Denna 900 V SiC MOSFET tillhör CREEs tredjegeneration där det också ingår MOSFET med 1200 eller 1700 V märkspänning.
Den MOSFET för 900 V som Ford använder, C3M, har 10 mohm on-resistans.
– En fördel är att den inte har en knäspänning, som i en IGBT.
Att denna transistor är tillförlitlig uttrycks som 1 procent fel i komponenterna efter 65 år.
Wolfspeed har idag kring 100 SiC-produkter i sortimentet. Jeff Casaday räknar med 40 procents volymökning inom kommande två år.

Svenskt engagemang
ISICPEAW invigdes av Mietek Bakowski, professor och senior expert vid Acreo Swedish ICT. Han betonade den viktiga roll halvledare med brett bandgap har i fråga om klimatförbättring, något som i stort sett alla föredrag berörde under konferensen.

Mietek Bakowski.

Pierre-Jean Rigole från, Energimyndigheten framhävde hur stora vinster man kan nå genom att ersätta kiselhalvledare med halvledare med brett bandgap. För Sverige handlar det totalt om en potential på att spara 3 – 4 TWh i elektronikutrustning med effekter högre än 16 kW. Inom transportsektorn finns en potential till att spara 3 – 5 TWh. Sammantaget handlar det om att spara 2 procent av landets totala elförbrukning.

Pierre-Jean Rigole.

Filed under: Teknikartiklar

« Brett bandgap på bred front Ingenjörstrainee på Högskolan i Gävle »

Fordonselektronik

Mätteknik

Embedded

Radio

Si möter konkurrens från både SiC och GaN

Kommentaren

Gästkommentaren

I periferin