Alexandre Avron, marknadsanalytiker inom kraftelektronik hos Yole Dévellopement, gav på kiselkarbidkonferensen iSiCPEAW sin bild av hur Super Junction MOSFET kommer att stå sig i konkurrensen mot MOSFET utförda i galliumnitrid eller kiselkarbid.
– Vi upplevde alla ett genombrott då Infineon 2001 lanserade sin CoolMOS, som är en Super junction-teknik. Idag, när prestanda i förhållande till priset är marknadsdrivande är det en stor utmaning att försöka ersätta Super junction MOSFET med MOSFET i GaN eller SiC.
Så inledde Alexandre Avron sin presentation av den jämförelse som Yole Dévellopement har gjort för att kunna skapa en bild av den kommande utvecklingen.
Nästan alla de stora tillverkarna av diskreta effektkomponenter, Sintegrerade effektkomponenter och kraftmoduler tittar på alternativ till sina kiselkomponenter.
De som utvecklar komponenter i SiC är Infineon, STMicroelectronics, Mitsubishi, Toshiba, Rohm, Vishay, Fuji, Hitachi, Shindengen och Panasonic.
För GaN intresserar sig STMicroelectronics, Toshiba, Renesas, Fuji, IR, Shindengen, Sanken och Panasonic.
Att gå från traditionell MOSFET-teknik till Super junction MOSFET (som vi benämner SJ MOS i det följande) innebar att man kunde reducera RDSon med en faktor 5. Lägre resistans betyder bland annat att man kan använda högre frekvenser i omvandlare vilket leder till att dessa kan göras mindre (mindre induktorer, mindre kondensatorer och eventuellt mindre kylflänsar).
I en konventionell MOSFET kommer merparten av strömmen att gå i det epitaxiella lagret (mer än 95 procent) när man går upp mot högre spänning. Om det var möjligt att öka elektronmobiliteten i det området kan man i hög grad minska resistansen. Och det är just det man har lyckats åstadkomma i SJ MOS!
Två metoder
I huvudsak två metoder används kommersiellt.
* Med den ena bygger man skikt för skikt upp en 3D-struktur av source. Metoden tillämpas av Infineon STMIcroelectronics, Fairchild, MicroSemi, Ixys m fl.
* Den andra metoden innebär att man skapar en vertikal kanal genom reaktiv jon-etsning. Kanalen fylls med eptiaxiella lager och ansluts till Source. Den här metoden används av Fairchild, Fuji electric, Toshiba m fl.
En Super Junction MOSFET kan byggas på olika sätt. Här visas de två vanligaste: ”multi-epi” där 4-5 epitaxiskikt läggs på varandra för att skapa en vertikalt utsträckt source, och SJ MOS där man med jon-etsning skapar brunnar som sedan fylls med epitaxi.
Vid högspänning kommer merparten av RDSon från epitaxiskiktet. SJ MOS sänker RDSon med en faktor fem jämfört med traditionell MOSFET.
Källa: Yole Dévellopement
Lägre switchförluster på grund av lägre utkapacitans tillåter snabbare switchning vilket ger högre verkningsgrad i topologier för resonant mod. Låg gate-laddningen bidrar också till att förbättra switchprestanda.
Marknaden för SJ MOS uppgår enligt Yole till totalt 441,5 dollar. Infineon har 57 procent av denna marknad, STMicroelectronics 31 procent och resten är i stort sett uppdelad på Vishay, Fairchild och Toshiba.
SiC och GaN
En jämförelse mellan SJ MOSFET i kisel och MOSFET i kiselkarbid respektive galliumnitrid indikerar att dessa kommer att användas på skilda områden.
Alexandre Avron menar att det inte framför allt är högtemperaturegenskaperna hos kiselkarbid som kommer att driva marknaden, utan i stället möjligheten till ökad verkningsgrad i omvandlare tack vare lägre förluster. Genom att switcha på högre frekvenser kan omvandlarna byggas kompaktare.
Utvecklingen av galliumnitrid går mot högre spänningar. I år kommer det 600 V komponenter från International Rectifier, MicroGaN och Powdec.
Generellt sett utvecklas också GaN och Super junction MOSFET mot högre effekter.
Yole Dévellopement tror på stor tillväxt (13 procent) av Super junction MOSFET fram till 2016.
– MOSFET av planar-typ (lateral) kommer troligtvis att försvinna på högspänningsmarknaden inom de närmaste 15 åren, sade Alexandre Avron.
I ett diagram visade Alexandre Avron att SJ MOSFET får en övre gräns vid ca 1200 V. Genombrottsspänningarna för GaN-komponenter väntas öka till ca 2 kV. Idag används GaN-komponenter upp till ca 200 V.
– Frågan är när vi får se komponenter för högre spänningar.
För verkligt höga spänningar, i storleken 6-7 kV har SiC sitt givna område.
Osäker utveckling
Alexandre Avrons slutsats är att det inte är givet att något av de tre alternativen SJ MOS i kisel, MOSFET i SiC eller GaN kommer utesluta de andra eftersom man inte helt säkert vet hur marknaderna för el-bilar/hybrider, frekvensomriktare för solpaneler, motorstyrning och avbrottsfri kraft kommer att utvecklas.
Super Junction MOSFET är en etablerad teknik som fortsätter att ta marknadsandelar. SiC är löftesrik men bara några realistiska lösningar utvecklas just nu. GaN är en ny spelare. Om spänningståligheten höjs kan tekniken komma att användas.
– Under de kommande fem åren får vi se SJ MOS och GaN komma att användas för spänningar upp till 1200 V. Huvudmarknaden för SiC ligger över denna spänning.
GaN passerar SiC
Yole Développement förutspår att SJ MOS-marknaden från i år kommer att öka med 13 procent årligen, SiC-marknaden med 35 procent per år och GaN-marknaden med 250 procent per år. Trots att marknaden för GaN är liten idag skär kurvorna för SiC och Gan varandra redan nästa år. År 2015 väntas SiC-marknaden vara värd 200 miljoner dollar, GaN- marknaden 350 miljoner dollar och SJ MOS-marknaden 790 miljoner dollar enligt Yoles prognos. |
