Силовые полупроводники открывают эру SiC (Часть вторая)

Модули из карбида кремния (SiC) считаются решающими для повышения эффективности систем трансмиссии электромобилей. Значительный переход от устройств на основе кремния к устройствам из карбида кремния будет в значительной степени способствовать увеличению удельной мощности в энергосистемах при одновременном уменьшении размера, веса и, что наиболее важно, стоимости электромобилей. Это связано с тем, что, хотя силовые полупроводники на основе кремния все еще оптимизируются, они достигли своих эксплуатационных пределов с точки зрения потерь проводимости и переключения. Карбид кремния с его более широкой запрещенной зоной (3.26 эВ по сравнению с 1.12 эВ у кремния) может снизить такие потери и обеспечить превосходные высокотемпературные и высокочастотные характеристики.

Многие производители SiC-чипов уже преобразовали свои 150-миллиметровые линии по производству кремния в производство SiC. Велиадис заявил: «До сих пор весьма успешным подходом была обработка карбида кремния на зрелых, полностью изношенных кремниевых заводах с капиталовложениями в размере около 30 миллионов долларов, что приносило огромную прибыль». Стоимость особенно важна для модулей питания. «Используя карбид кремния, вы заплатите примерно в три раза больше стоимости полупроводниковых чипов, но общая стоимость системы в конечном итоге окажется ниже, чем у кремниевых силовых модулей, что противоречит интуиции. Но ответ прост. Способность работать эффективно. на высоких частотах значительно уменьшает объем магнитных и пассивных компонентов, компенсируя более высокую стоимость производства чипов».

Однако в этой отрасли не осталось старых заводов, которые могли бы позволить себе реконструкцию стоимостью 30 миллионов долларов. Быстро строятся новые заводы по производству пластин карбида кремния. Тем временем компании, не производящие пластины, конкурируют за мощности.

«У нас есть два взаимно конкурирующих рынка — автомобильный рынок и рынок возобновляемых источников энергии, оба из которых нуждаются в мощностях», — сказал Ральф Борнефельд, старший вице-президент Bosch Power Semiconductors and Modules. «Из пандемии COVID-19 мы узнали, что конкурирующий рынок может закрыть другой рынок, поэтому нам необходимо принять это во внимание». В настоящее время компания Bosch производит модули SiC MOSFET третьего поколения с напряжением пробоя 1,200 В.

Устройства SiC особенно подходят для автомобилей, поскольку они могут работать при более высоких температурах в суровых условиях, обеспечивая высокую удельную мощность. Силовые устройства SiC обеспечивают чрезвычайно низкие коммутационные потери и сверхнизкое сопротивление RDson (сопротивление между истоком и стоком во время работы). Меньший размер RDson коррелирует с меньшими потерями мощности в МОП-транзисторах.

Возможности устройства начинаются с материалов SiC. «Качество кристалла было ключевым фактором, на который обращали внимание все игроки в течение последних 20 лет, но в кристалле все еще существуют дислокации базисной плоскости, дефекты упаковки и т. д., которые необходимо проектировать для изготовления 20, 30 и т. д. Устройства площадью 40 квадратных миллиметров», — сказал Кристоф Малевилл, старший вице-президент SOITEC Innovation. «Когда четыре года назад мы вошли в область карбида кремния, мы впервые заметили, что существуют различия от одного слитка к другому и от одной пластины к другой, что инженерам обычно приходится корректировать и проверять эпитаксию. Итак, ее внедрение в производство еще не худой».

С точки зрения электрических аспектов силовые устройства могут быть чувствительны к паразитным индуктивностям, искрению и другим проблемам. В отличие от аналоговых заводов смешанных сигналов, где сжатие отсутствует, основное внимание уделяется параметрам, и энергетикам приходится иметь дело с вариациями.

«В прошлом (аналог) не хватало термоусадки. Но сейчас у них есть зрелые процессы устранения дефектов», — сказал Дитер Ратей, генеральный директор DR Yield. «Поскольку сложные полупроводники, такие как карбид кремния, нитрид галлия и арсенид галлия, становятся все более распространенными и растут быстрее, проблемы параметрического выхода улучшатся».