Halfgeleiders van Sic en GaN voor voedingselektronica

De nieuwste voedingsontwerpen voor elektrische voertuigen, industriële voedingen en systemen voor zonne-energie maken gebruik van Wide Band Gap (WBG)-technologie op basis van siliciumcarbide (SiC, ook bekend als carborundum) en galliumnitride (GaN). In dit artikel gaan we in op deze ontwikkeling: waarom kunnen WBG-technologieën een alternatief zijn voor de toekomst, en welke vooruitstrevende WBG-oplossingen gaan de weg bereiden?

Halfgeleider van SiC en GaN bewijzen zich steeds meer als goede optie om de energieconversie en -besparing te verbeteren in hoogspanningselektronica, van hybride en volledig elektrische voertuigen tot aan datacenters en militaire toepassingen.

De inverters in de aandrijflijn van elektrische voertuigen (EV's) werden bijvoorbeeld lange tijd gemaakt met IGBT's op siliciumbasis, maar inmiddels stappen EV-ontwerpers steeds meer over op MOSFET's van siliciumcarbide. Deze werken met hogere frequenties en zijn geschikt voor toepassingen met een hoge doorslagspanning. Hierdoor groeit het aanbod aan SiC-apparaten voor hybride en elektrische voertuigen: er zijn Schottky-barrièrediodes (SBD's) van siliciumcarbide, MOSFET's, sperlaag-veldeffecttransistors (JFET's), en nog veel meer. De volgende logische stap is de beschikbaarheid van volledige SiC-modules.

Halfgeleiders van galliumnitride zijn eenvoudiger te produceren in vergelijking met een SiC-wafer, dus de kosten liggen hiervoor lager. GaN-halfgeleiders zijn dan ook bezig met een inhaalslag. Naast de automotive toepassingen zoals inverters, winnen GaN-apparaten inmiddels ook terrein in DC-DC-omzetters in datacenters, hoogspanningsvoedingen en militaire voedingselektronica.

SiC: hogere vermogensdichtheid en betrouwbaarheid

SiC-materialen bieden een grote band gap van 2,86 elektronvolt (eV)¹, dus ze hebben een hogere thermische geleiding dan silicium, van 1,11 eVs. Hierdoor zijn ze geschikt voor hoge spanningen in hoogvermogenstoepassingen. De hoge vermogensdichtheid, lange levensduur en betrouwbaarheid maken SiC-materialen een goede keus voor omzettingssystemen voor elektrische voertuigen, zonne-omvormers en andere hoogvermogenstoepassingen.

De E-serie van SiC-MOSFET's van Wolfspeed, een dochteronderneming van Cree, is bijvoorbeeld geoptimaliseerd voor EV-batterijopladers en hoogspannings-DC/DC-omzetters. De E-serie is gebaseerd op de derde generatie krachtige planartechnologie van Wolfspeed. De serie wordt toegepast in het referentieontwerp van het bedrijf voor een bidirectionele on-board oplader met 6,6 kW.

Wolfspeed promoot de SiC-MOSFET's van zijn E-serie met de laagste schakelverliezen en de hoogste prestaties (FOM) van de branche. De R_DSon is met 65 milli-ohm (mΩ) inderdaad bijzonder laag, dus de FOM – die rekening houdt met de elektrische stroomverliezen en de thermische beperkingen van WBG-apparaten – zou bij de publicatie van dit artikel goed aan te top kunnen staan.

Voor zonne-energiesystemen in veeleisende omgevingen voldoen deze SiC-apparaten bovendien aan de classificatie HV-H3TRB. De geschiktheid werd vastgesteld bij 80% van de nominale blokkeerspanning in een omgevingskamer met een constante temperatuur van 85 ⁰C en 85% relatieve luchtvochtigheid.

Rohm Semiconductor heeft ook een derde generatie uitgebracht van zijn SiC SBDs, met verschillende nominale spanningswaarden en verpakkingen. Deze SBD's bieden significant betere Vf-karakteristieken en leveren een hogere piekspanningsweerstand, terwijl lekken worden verminderd. Hierdoor kunnen deze apparaten lagere schakelverliezen hebben dan silicium diodes met snel herstel (SiFRD's).

Daarnaast heeft Rohm voedingsmodules uitgebracht die SiC-MOSFET's en SBD's integreren in een industrieel standaardpakket (afbeelding 1).

Afbeelding 1: De significant lagere R_DS(ON) is een belangrijke reden dat voedingsmodules met SiC-MOSFET's van de derde generatie lagere schakelverliezen hebben. (Bron afbeelding: Rohm Semiconductor)

De halfbrug-voedingsmodules die volledig van SiC gemaakt zijn leveren significant lagere schakelverliezen dan de conventionele IGBT-modules en maken toepassingen mogelijk met hoge frequenties van meer dan 100 kHz.

GaN: kleiner en sneller dan silicium

Galliumnitride levert een nog grotere band gap van 3,4 eVs en een twee keer hogere elektronenmobiliteit dan silicium. Daarnaast zorgen de stroomuitvalvrije eigenschappen van GaN-apparaten voor een kleiner formaat en grotere efficiëntie in systemen voor vermogensomzetting.

Een voorbeeld is de EPC2206 van EPC (afbeelding 2). De EPC2206 maakt onderdeel uit van de eGaN^® FET-productfamilie en is gericht op voertuigen die een 48V-stroomverdeelbus gebruiken voor functies als elektrische start/stop, elektrisch sturen, elektronische ophanging en klimaatregeling met variabele snelheid. De EPC2206 eGaN-FET's worden alleen gepassiveerd geleverd met soldeerpunten. Het formaat is 6,05 mm x 2,3 mm.

Afbeelding 2: De EPC2206 eGaN-FET's worden alleen gepassiveerd geleverd met soldeerpunten. Het formaat is 6,05 mm x 2,3 mm. (Bron afbeelding: EPC)

De halfbrug-GaN-transistors EPC2100 van EPC vallen ook onder de eGaN-FET-familie (Afbeelding 3, bovenaan). Om de integratie van vermogens-FET's in omzetterdesigns te vereenvoudigen, biedt EPC ook een ontwikkelingsbord aan, de EPC9036 (afbeelding 3, onderaan).

Afbeelding 3: De EPC2100 halfbrug-GaN-transistor wordt gepassiveerd geleverd met soldeerpunten (bovenaan). De afmetingen zijn 6,05 mm x 2,3 mm. Twee hiervan zijn parallel geplaatst op een EPC9059-ontwikkelbord (onderaan). (Bron afbeelding: DigiKey)

Het ontwikkelingsbord EPC9036 heeft twee EPC2100 eGaN-IC's van 30 V parallel geplaatst met een enkele on-board gatedrive voor hogere output-stromen. Het bord is voorzien van alle kritieke componenten en lay-out voor optimale schakelprestaties.

De laatste aanbieder in dit rijtje is Transphorm, dat in 2017 de eerste AEC-Q101-compliant GaN-transistor voor automotive toepassingen op te markt bracht. Transphorm claimt dat zijn hoogspannings-GaN-FET's ruime thermische speling leveren bij het ontwerp van vermogenssystemen. De TP65H035WSQA van het bedrijf is zijn derde generatie AEC-Q101-compliant GaN-apparaat en heeft de thermische grenzen van de FET opgerekt tot 175°C. Dat is 25°C meer dan de AEC-Q101-compliant hoogspannings-MOSFET's van silicium.

De bovenstaande oplossingen laten duidelijk zien dat vermogensapparaten van siliciumcarbide en galliumnitride inmiddels volledig commercieel gevestigd zijn. Deze materialen blijven essentiële ontwerpproblemen oplossen in belangrijke toepassingsgebieden, en het is te verwachten dat het aanbod en de bruikbaarheid alleen maar zullen toenemen. Dit zal helpen om SiC- en GaN-apparaten steeds dichter bij de eenvoudige vervangbaarheid van hun silicium tegenhangers brengen.

Referenties:

1 – http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/bandgap.html#c1