Annons

Stora miljövinster med kiselkarbid

Konferensen iSiCpeaw blev åter framgångsrik och visade hur kommersiella produkter mognat samtidigt som nya forskarrön presenterades. Inte minst kan kiselkarbiden bidra till en hållbar miljöutveckling genom att minska förluster i exempelvis elbilar och smarta elnät.


–  Jag har aldrig sett så mycket ny utveckling presenterad på någon av våra tidigare kiselkarbidkonferenser som i år! Men vi behöver mycket mer.

Så sammanfattade Hans- Peter Nee årets iSiCpeaw där 160 personer, forskare och personer från industrin, deltog från 20 länder. Årets arrangör var Swerea Kimab, tillsammans med Swedish ICT/Acreo, KTH, Yole Devèloppement, Enterprise europe network, EPE och netFISIC.
Som professor vid KTH, laboratoriet för energiomvandling (E2C) leder Hans-Peter Nee en grupp för elektrisk energiomvandling som bland annat har utvecklat en 40 kW omvandlare med 99,7 procents verkningsgrad. Den möjliggjordes av halvledare i kiselkarbid.
Hur viktigt det är att höja verkningsgraden i elektronisk utrustning gav Hans-Peter Nee en rad exempel på.

Ökade utsläpp

Från 2009 till 2035 väntas världens energiförbrukning öka med 40 procent. Visserligen väntas andelen fossila bränslen minska, men andelen är ändå skrämmande hög: 81 procent år 2010 för att uppskattas till 75 procent år 2035.
– Energin måste i högre grad vara el och det moderna samhället kräver en ökad andel av förnyelsebar kraft. Man skulle exempelvis kunna ta vara på den jordvärme som finns. Borra 5 km – där finns det värme. Det kanske inte är någon billig metod, men här finns möjligheter.
Alla dessa energikällor kräver kraftelektronik med hög verkningsgrad. Det är här kiselkarbid kommer in i bilden.
Överföringen av kraft behöver effektiviseras. Distribution av likström ger stora vinster. Övergången till likström kommer att kräva mängder av krafthalvledare  som med fördel kan vara utförda i kiselkarbid.

Ökad verkningsgrad

Ökad verkningsgrad betyder minskade förluster. En förändring av verkningsgraden från 93 till 99,7 procent kanske inte låter så mycket, men det betyder i själva verket att förlusteffekterna minskar från 3 till 0,3 procent, eller till en tiondel!.
Minskade förluster leder till mindre behov av kylsystem vilket i sin tur minskar åtgången av material för en konstruktion. Kylsystemet kan också minskas på grund av att kiselkarbid tål mycket högre temperaturer än kisel.
Mindre mängder material är i sig en positiv effekt i ett hållbarhetsperspektiv. Dessutom kan effektivare konstruktioner minska kostnader.
– Ökad energieffektivitet kan alltså skapa ökad konkurrenskraft.
Hans-Peter Nee pekade ut tre möjligheter som kiselkarbidkomponenter kan ge:
* Man kan dimensionera för minskade ledningsförluster tack vare lägre strömtäthet.
* Snabbare switchning möjliggörs tack vare lägre switchförluster. SiC är bra att använda i effektomvandlare eftersom de de har mycket låg efterledning.
* Ökad switchfrekvens betyder att dimensionerna på passiva komponenter som transformatorer, induktorer och kondensatorer kan minskas.
– Här gäller det att tänka rätt: Såväl ledningsförluster som switchförluster är en följd av våra val vid konstruktionsarbetet – inte ett resultat av komponenttekniken. För att switcha snabbt gäller det att driva gaten hårdare. Håll induktanserna så låga som möjligt! Om ledningsförlusterna ökar, öka chipytan om ledningsförlusterna blir för stora. Välj resonanta omvandlare.
– Konstruera med kiselkarbid idag! Vi behöver inte vänta på att det skall komma IGBTer och komponenter för 20 kV. Mycket kan göras redan idag med komponenter för 3,3 kV som idag förekommer kommersiellt som moduler. Dessa ger stora möjligheter till förbättringar i vindkraftverk.
Ett annat sort applikationsområde som Hans-Peter Nee nämnde är ”transportation”. Tidigare talade man om ”automotive”, men ”transportation” är ett mycket vidare begrepp som inbegriper allt från bilar, lastbilar, tåg till truckar och lastfordon.

SiC överlägset Si i växelriktare
Lars Lindberg, Kollmorgen berättade om ett projekt han har lett, med stöd av Vinnova och Swedish ICT-Acreo.
Det är en DC/AC-växelriktare för 3-fas som ger 400 Arms och som arbetar med 750 VDC. Användningsområdet är tänkt som tunga fordon i hybridutförande.
I dessa sammanhang kan bara 1 procents förbättring av verkningsgraden resultera i att 600 – 100 liter diselolja sparas per år.
Växelriktaren är byggd med SiC-komponenter. Argumenten för SiC kontra Si är desamma som Hans-Peter Nee uttryckte: högre systemverkningsgrad, mindre behov av kylning (t o m luftkylning kan duga) och högre frekvens vilket ger mindre passiva komponenter.
Målet med projektet var att öka verkningsgraden hos omvandlaren för högeffektsmotorn, att undersöka om försämring av strömmen vid mängder av parallellkopplade SIC-effekttransistorer och undersöka EMC-egenskaperna jämfört med en konstruktion i kisel. Slutligen skulle en demonstrator byggas.
Såväl SiC- som Si-komponenter testades i en prototyp av växelriktare för 750 VDC 400Arms enligt tre alternativ:
* Si IGBT med Si-antiparallelldiod. Total chipyta för IGBT och diod uppgick till ca 65 mm2.
*.SiC MOSFET med 11 mm2 chiparea (1200 V, 80 mohm).
* SiC MOSFET med 22 mm2 chiparea (1200 V 40 mohm).
Vid 400 Arms och 16 kHz switchfrekvens gav det första alternativet 98,2 procents verkningsgrad, alternativ två 99,0 procent och alternativ tre 99,3 procent. Allra högst nådde alternativ tre med 8 kHz switchfrekvens, nämligen 99,5 procent.
I en totallösning, med 20 parallellkopplade transistorer kunde effektförlusterna vid 8 kHz sänkas från 3500 W (fall ett) till 1500 W (fall tre) och vid 16 kHz sänkte man effektförlusterna från 2000 W till 600 W. Effektförlusterna består av såväl switch- som ledningsförluster.
I eget mätrum utfördes jämförande EMC-tester. Som väntat ökade störningarna från lösningarna med SiC eftersom dessa är mycket snabbare än Si-transistorer. Men ökningen var inte så stor som väntat beroende på SiC-transistorernas kortare efterledning.  Dock visade det sig att störningsnivåerna måste sänkas för att klara EMC-kraven.
I ett nytt projekt skall man iterera sig fram till en lösning som uppfyller EMC-kraven . Genom simulering skall man även undersöka hur kortslutning påverka parallellkopplade transistorer.

Mindre, lättare, bättre
Ty Mc Nutt, affärsutvecklare vid APEI, gav exempel på vad företaget har lyckats åstadkomma med kiselkarbidkomponenter för moduler. Företaget har för dessa utvecklat speciell kapslingsteknik för att ge temperaturtålighet och låga induktanser.
Bland annat visade han hur APEI åt amerikanska försvaret byggt 5 kW 3-fas växelriktare som switchas med 50 kHz och som tål 200°C junction-temperatur. Den är byggd med tre AMEI XT-1000 –moduler.
En stor fördel med SiC, gentemot Si, är väsentligt högre temperaturtålighet och mindre försämring i relation till temperaturstegringen.
Vid 200°C junction-temperatur kan enheten leverera 4,25 kW, 300 Vrms och 97,01 procents verkningsgrad.
En jämförelse mellan 5 kW system med Si (IGBT)  och SiC ger sju gånger mindre, åtta gånger lättare, tål dubbelt så hög temperatur (250°C kontra 125 °C) och ger högre verkningsgrad: 96,8 procent jämfört med 95,5 procent.

Kraftfull modul
Powerex har för amerikanska armen utvecklat en switchmodul – en halv H-brygga – som klarar 880 A och 1200 V. I den finns 11 st 80 A MOSFET och 11 st JBS-dioder som tål 1200 V. Alla är SiC-komponenter och tillverkade av CREE.
Powerex har också utvecklat ytterligare en halv H-brygga som klarar 10 kV 120 A. Varje switch består av 12 parallellkopplade 10 kV/10 A SiC DMOSFET, sex parallella SiC samt Si-Schottkydioder som ligger i serie med DMOSFETarnas ”body”-diod. Tack vare att till- och frånslagstiderna ligger under 200 ns kan modulen användas i konstruktioner med switchfrekvenser över 20 kHz.
En ny halvbrygga från CREE, CAS100H12AM1, klarar 100 A och 1200 V. Rds(on) är så låg som 18 mohm.
Men CREE har moduler som kan mer: Senare i år kommer de att lansera en halv H-brygga som tål 1700 V och 300 A.

SiC för fordon
Kimimori Hamada från Toyota gav en bild av hur SiC nu kommer in i bilarna för att ge bättre miljö.
Idag tillverkar Toyota bilar för bensin/diesel och hybridbilar (HV) för bensin/el.
I framtiden kommer hybridbilar (PHV) som kombinerar el med gas, syntetiska bränslen eller bio-bränslen, renodlade el-bilar (EV) eller vätgasdrivna (FCV) bilar.
I Toyotas vision kommer elbilar att dominera vid kortdistanskörning. På litet längre köravstånd är det aktuellare att använda personbilar av typ HV och PHV. För personbilar på långdistans, bussar i linjetrafik och lastbilar är vätgas det mest tänkbara.
Alla dessa lösningar kräver styrelektronik. Ungefär 20 procent av effekten i HV-fordon förloras idag i effekthalvledare. Att välja kiselkarbid i stället för kisel skall enligt Toyota kunna ge 10 procents energibesparing! Och stryrdonet kan göras 80 procent mindre, vilket Toyota redan demonstrerar.
Kimimori Hamada avslutade sitt anförande med ett uttalande: ”We believe that we will be able to provide the car ”Powered by SiC” in the near future but SiC still needs further R&D on reliability, cost and delivery. We need power of SiC community”.

Goda prognoser för SiC-marknad
Philippe Roussel från Yole Développement gav detta analysföretags bild av den kommande utvecklingen för effekthalvledare och moduler i halvledarmaterial med brett bandgap, som SiC och GaN.
Generellt väntas från åren 2013 till 2020 effektelektroniska system öka från 117 miljarder dollar till 134 miljarder dollar. Ökningen är blygsamma 1,9 procent per år. Marknaden för växelriktare växer dock med 6,5 procent per år, från 40 miljarder dollar till 65 miljarder dollar.
Ännu snabbare ökar marknaden för krafthalvledare och effektmoduler: 7,7 procent per år vilket innebär en ökning från 10,6 miljarder dollar till 17,9 miljarder dollar. Ökningen av wafers för effekthalvledare är dock bara 3 procent per år, från 882 miljoner dollar till en miljard dollar vilket indikerar att dessa successivt blir billigare.
Detta är prognoser och sådana stämmer inte alltid på grund av oförutsedda händelser.
Den globala recessionen 2012 fick marknaden för effekthalvledare att krympa med 12 procent, jämfört med 2011. Och tillväxten var 2013 bara 0,3 procent!

– Vi trodde att 2013 skulle innebära en återhämtning på grund av EV/HEV och elnät av typen ”smart grid”. Bilmarknaden var ännu pressad och industrisegmentet inte starkt nog för att varigt behöva stora volymer, sade Philippe Roussel.

Marknaden för effekthalvledare ser ut att öka med i storleksordningen 12 procent i år och 15 procent nästa år. Men sedan kommer en ny nedgång 2016 och under de efterföljande tre åren ökar marknaden med ca 8 procent per år.
Under 2013 såldes 75 procent av världens effekthalvledare i Asien. Europa stod för 15 procent och Nord- och Sydamerika för 10 procent.
Bland effekthalvledarna märks en tydlig ökning mot högre spänningar: Segmentet 1,2 – 1,7 kV ökar med 99 procent, 2 kV – 3,3 kV med 85 procent och >3,3 kV med 105 procent.
Intressant är att spänningarna i EV och HEV väntas öka till 600 V, 900 V eller t o m 1200 V.
Industrisektorn kommer i ökad grad att använda komponenter för 1,2 kV, rälsbundna fordon och el-nät av ”grid”-typ kommer att behöva komponenter för spänningar mer än 3,3 kV.
År 2020 väntas 42 procent av marknaden för SiC-baserade effektmoduler att avse EV/HEV och 33 procent ”smart grid”. För motordrivning är siffran 9,5 procent och för UPS är den 5,8 procent.

Nya typer av moduler
En tydlig trend är att marknaden för SiC går från diskreta chip till effektmoduler. Modulerna måste tåla minst 175°C och helst 250°C. Sådana kapslar finns ännu inte. Ett av problemen att lösa är att välja material med temperaturkoefficienter som inte skiljer sig alltför mycket.
Att SiC-komponenterna kan utnyttjas för högre frekvenser innebär ett annat problem. Som nämnts ökar kraven på låga induktanser vilket ställer krav på att utveckla förbindningstekniken i moduler och i komponentkapslar. Bondning med aluminiumtrådar ersätts av breda remsor av aluminium eller koppar. På sikt kommer sintrad folie som löds med hjälp av ultraljud.
Framtidens moduler kommer att ha kylkroppar som ger bättre värmeöverföring. Här nämns keramiska material som AlN eller Al2O3. Det kommer också att vätskegenomströmning i porösa material eller material med mikrokanaler för kylning. Modulerna kommer i många fall även att vara dubbelsidigt kylda.

 

Comments are closed.