Digitalisering och ökad elektrifiering i samhället höjer efterfrågan på elenergi och miljöhänsyn ställer ökade krav på högre verkningsgrad vid energiomvandling. I sin tur driver det forskning och utveckling av halvledare med brett bandgap, WBG, i kiselkarbid, SiC, och galliumnitrid, GaN. Årets konferens SCAPE 2019 speglade senaste rön från forskare och industri.

Som tidigare har professor Mietek Bakowski, RISE, organiserat konferensen med stöd av WBG Power center som bildats på initiativ av Acreo Swedish ICT, KTH och Swerea KIMAB, Energimyndigheten och Yole Développement. Tidigare hette detta SiC Power Center.

Mietek Bakowski

Europeiskt samarbete
Peter Rechberger från ECPE, European center for power electronics, presenterade resultat av deras arbete med färdplan (roadmap) för WBG-komponenter och deras tillämpningar.

ECPE samlar idag 93 industrimedlemmar och 99 kompetenscentra inom olika institut och universitet som är verksamma inom kraftelektronikområdet. Arbetet med färdplanen påbörjades 2016 och slutrapporten kommer inom kort att publiceras på ECPEs hemsida.

Peter Rechenberger

Typiska applikationsområden för WBG-komponenter är fordonselektronik, järnväg, spänningsomvandlare för solceller, vindkraft, industriautomation och robotar, drivkretsar för stora laster, kraftnät av typen ”grid” samt datacentra.

Spänningsomvandling i fordon
För fordon krävs AC/DC- och DC/DC-omvandlare med hög verkningsgrad för elmotordrift och spänningsomvandling  till och från 12 V och från 48 V till 450 – 850 V batterispänning samt för omvandlare i laddare.

Att byta ut kisel, Si, mot kiselkarbid, SiC, eller galliumnitrid, GaN, kan ge betydande energivinster. För spänningar upp till 800 V användes företrädesvis SiC medan GaN är mer ekonomiskt att använda för spänningar upp till 400 V.

Trenden går mot högre grad av integrering och högre temperaturtålighet. En väntad utveckling är att laddarkretsen byggs in i fordonet där GaN används för 1-fasmatning medan 3-fasmatade laddare använder SiC-dioder samt SJ, Super junction MOSFET i Si och MOSFET i SiC.

SiC kan med fördel användas för likströmsbrytare, tack vare lågt R_DSon. En monolitisk likströmsbrytare väntas demonstreras först år 2025.

För induktiv laddning bildar 85 kHz ny standard, speciellt i enheter för en infrastruktur. En sådan laddare för batterispänningar mellan 400 och 800 V är lättare att åstadkomma i SiC än Si. Troligen kommer GaN att ersätta SiC i spänningar upp till 650 V på grund av kostnadsskäl.

GaN-tekniken utvecklas och kanske kommer 1200 V halvledare i GaN kring år 2035.

Datacentraler får nya strukturer
Datacentraler förbrukar stora energimängder och trenden är ökande.
I traditionellt uppbyggd kraftmatning används en enhet (UPS) för avbrottsfri kraft. Batterispänningen omvandlas till växelspänning som i servrarna omvandlas till 380 V likström. Spänningen tas sedan ned till 12 V i en DC/DC-omvandlare för vidare omvandling lokalt på korten till lägre spänningar.

I en modern struktur matas servrarna i stället direkt med batteriuppbackad spänning, 380 V till 800 V, som sedan matar omvandlarna mot 12 V på korten. Denna förenkling ger stora energivinster med tanke på serverhallarnas enorma energiförbrukning.

På 380/400 V nivå, upp till 650 V, används GaN med fördel. För högre spänningar, 480 V och 800 V, lämpar sig i stället SiC MOSFET med 900 V till 1,2 kV märkspänning.

I kraftaggregat för lägre spänningar, t ex för telekom, väntas en övergång från SiC till GaN för att spara kostnader. GaN passar speciellt för kraftaggregat från 48 V till 1,8 V (s k POL, Point Of Load).

Energieffektiva slutanvändare
Energimyndigheten deltar i initiativet IEA-4e, dvs International Energy Agencys program Energy efficient End-use Equipment. Avsikten är att utbyta information och erfarenheter inom energieffektiva produkter och utrustning. Energimyndigheten är aktiv inom två så kallade annex: Belysning och nätverksuppkopplade produkter.

I organisationen deltar 13 nationer, nämligen Australien, Japan, Korea, Kina, Sverige, Danmark, Storbritannien, Frankrike, Österrike, Schweiz, Kanada, USA och Holland.

Peter Bergman från Linköpings universitet deltar i IEA 4E. Han visade ett diagram över världens energiförsörjning som visar att den förbrukade energimängden mer än fördubblats sedan år 1960.

1973 var andelen fosilfri kraft 13,3 procent (0,9 procent kärnkraft, 1,8 procent vattenkraft, biobränsle 10,5 procent och övrigt 0,1 procent) och 2014 var den 18,9 procent (kärnkraft 4,8 procent, vattenkraft 2,4 procent, biobränsle och återvinning med 10,3 procent samt övrigt 1,4 procent). Resten kommer från kol, olja och naturgas.

Under begreppet övrigt hamnar geotermisk energi, solenergi, vind, värme mm.

Den totala energimängden 1973 var 6101 Mtoe vilket steg till 13 699 Mtoe år 2014. 1 Mtoe = 11,63 TWh (Ill: iea-4e.org)

Koldioxidhalten i atmosfären var ca 280 ppm år 1800. Den hade stigit till 400 ppm år 2013. Under samma tid har metan ökat från 0,7 till 1,7 ppm och dikväveoxid (lustgas) från 0,7 till 1,2 ppm.

Enligt IEA-4e:s beräkningar av CO₂-budget för 1,5 grads uppvärmning motsvaras det av 420 – 570 Gt.

För att vända den uppåtgående trenden har EU satt som mål att öka energieffektiviteten med 20 procent, år 2020, och med 32,5 procent år 2030.

Verkningsgraden i hela kedjan från energikällan till slutanvändaren kan förbättras. För det har programmet PECTA (Power Electronics Conversion Technology Annex to IEA-4E) bildats.

Ordförande i PECTAs styrelse är Peter Bennich, Energimyndigheten. Andra svenska kontaktpersoner är Peter Bergman, LiU, Hans-Peter Nee, KTH, Per Ranstad, KTH och Carl-Mikael Zetterling, KTH.

En första uppgift blir att undersöka potentialen till ökad energieffektivitet i olika applikationer. Nästa uppgift blir att ställa upp en färdplan för effektkomponenter.

Efter april 2020 är uppgiften att standardisera effektkomponenter och moduler och den sista uppgiften blir utbildning och påverkan på utformningen av effektelektronik.

Skissen sammanfattar PECTAs aktiviteter

Det övergripande målet är att samla in och analysera information om ny kraftelektronik som är uppbyggd av komponenter med brett bandgap. Olika regeringars sätt att stödja brett bandgap för att öka energieffektivitet kommer att samordnas i syfte att nå fram till internationell standardisering (företrädesvis via IEC).

Katapult för miljön
Compound Semiconductor Applications, förkortat Catapult, är brittiskt nationellt program för att hjälpa småföretag att skapa tillväxtmed nästa generations produkter och tjänster.

I fallet brett bandgap ger man stöd i alltifrån materialfrågor som epitaktiskt lager till utveckling av produkter.

Uppenbarligen ser Storbritannien området som viktigt: Under de senaste åtta åren har brittiska staten satsat 300 miljoner pund på kraftelektronik. 50 miljoner pund går till Catapult och 80 miljoner pund till utmaningen ”Driving the electrification revolution”, DER.

Alastair Mc Gibbon

Alastair Mc Gibbon, affärsutvecklare vid UK Catapult, berättade under SCAPE 2019 om den engelska satsningen. Bland annat tar man i dagarna en ny anläggning i bruk i södra Wales, för att utveckla både komponenter och moduler i SiC och GaN. Fokus ligger på innovationer där Catapult hjälper småföretag att utveckla nästa generations produkter och tjänster. Anläggningen är inte avsedd att skapa egna produkter eller vara vinstgivande.

Låga förluster med GaN
Konferensens huvudtalare, Enrico Zanoni, från universitetet i Padova, gav färska nyheter om GaN för switchändamål utifrån forskningsprojekt och deltagande i konsortiet Powerbase. Det är ett ECSEL-projekt (Electronic Component and Systems for European Leadership) med 39 partners från nio olika länder.

Innan POWERBASE-konsortiet kom till hade man inga data om livslängden för en GaN HEMT. Idag kan man se hur livslängden i verklig drift är kopplad till speciella felfall och felmekanismer.

Projektet har resulterat i goda kunskaper om bland annat felmekanismer för ledning mellan drain och substrat samt ett tidsberoende genombrott.

En annan felmekanism är att bias-strömmen till en p-gate sjunker när förspänningen stiger över en viss spänning. Det beror på att hål fastnar i AlGaN-skiktet. Om förspänningen ökar ytterligare minskar mängden hål åter och läckströmmen ökar igen.

Ytterligare fel orsakas av heta elektroner. Under dynamiska förlopp, speciellt vid så kallad hård switchning (hög ström och spänning), ökas uppfångning av elektroner i ytfällor mellan gate och drain-kontakten vilket yttrar sig i ökning av R_ON.

Konsortiet har även undersökt tillförlitligheten i ett industriellt perspektiv genom dynamiska test och dragit slutsatsen att det krävs standardisering. En framgång för industrin för effekthalvledare har varit att JEDEC bildade kommittén JC-70 Wide Bandgap Electronic Conversion Semiconductors och subkommittén JC-70.1 som är helt ägnad åt GaN.

Tack vare konsortiets arbeten vet man idag mer om felmekanismer i såväl konventionella GaN HEMT av utarmningstyp (depletion mode) som i GaN HEMT av anrikningstyp (enhancement mode). Nya testmetoder och tekniker för felanalys av GaN-transistorer har utvecklats.

För första gången kan man nu under applikationsinriktade kriterier genomföra accelererade tester av GaN effekt-HEMT.

Elbilar skapar dramatisk tillväxt
John Palmour från Wolfspeed förutspår att marknaden för SiC-komponenter växer 300 gånger, räknat från 2017 till 2022. På dessa fem år skall världsmarknaden för SiC öka från 7 miljoner dollar till 2,4 miljarder!

Tillväxt: Mer än 300 gånger!

Tron på en framtida marknads-boom för SiC-komponenter gör att CREE-företaget Wolfspeed nu investerar en miljard dollar på att bygga en ny fabrik i Durham, USA. Satsningen innebär också att en mindre fabrik byggs om för tillväxt av SiC-kristaller.

Med övergången från Si till SiC minskar switchförlusterna med 10 gånger och effektdensiteten med en faktor tre. SiC ger lägre ledningsresistans, klarar högre switchfrekvenser och tål högre temperaturer. Det gör det möjligt att bygga mer kompakt, att använda mindre komponenter (p g a högre frekvenser) och förenkla kylningen.

Minskade förluster kan inte bara uppnås i inverterare för fordonens drivlina utan även i inbyggda laddare och externa snabbladdare. Att byta ut halvledare i Si till SiC kan typiskt höja verkningsgraden med 2 procent och öka effektdensiteten med 33 procent. Trots att effekthalvledare i SiC är dyrare än Si kan systemkostnaden sänkas.

Genom att implementera lösningarna med moduler i stället för diskreta komponenter kan ströinduktanser sänkas radikalt. Det innebär inte minst att överslängar vid switchning kan begränsas i hög grad.

John Palmour gav som exempel den nya XM2-modulen. Med bara 6,5 nH induktans i modulen, och 2,5 nH mot bussanslutningen, kunde överslängen begränsas till 120 V vid 900 V busspänning. Det betyder att man kan arbeta säkert med komponenter för 1200 V.

Låginduktiv SMD-kapsel
Ignacio Lizama, applikationsingenjör vid Rohm, berättade vidare om vikten av låga induktanser när han jämförde kapseltypen TO-247 med TO-263-7L (7L indikerar sju ledare) för en 1200 V SIC MOSFET med 40 mohms tillresistans.

Problemet ligger i ströinduktansen i anslutningen mot source, vilken minskar switchhastigheten.

Ny kapsel löser problem (Ill: Rohm)

Den nya kapseln TO-263-7L har en extra ledare, direkt till source, för anslutning mot drivkretsen. Genom denna passerar bara gate-strömmen i slingan mot drivkretsen, medan den betydligt större source-strömmen har sin egen anslutning mot jord. Det resulterar i mycket snabbare omslagstider.

Även Infineon bygger ut
Ovan nämndes att CREE/Wolfspeed investerar 1 miljard dollar i två nya anläggningar. Infineon satsar 1,6 miljarder euro under sex år på en anläggning som väntas ge 1,8 miljarder dollar i omsättning per år. Här kommer man att tillverka IGBT och MOSFET för alla slutmarknader. 90 procent av kapaciteten skall ägnas åt Si-tillverkning på 300 mm wafer, medan 10 procent avser SiC och GaN.

För SiC har man överfört tillverkningen på 150 mm wafer och återanvänder byggnader och tillverkningslinor. Investeringarna i ökad kapacitet ligger i nivån miljarder euro.

Applikationsområden för SiC respektive GaN (Ill: Infineon)

För GaN genomför man en signifikant expansion av 150 mm produktion, i närmaste och kommande tiden. Rohm förbereder nu för tillverkning på 200 mm wafer.

Likt Rohm har Infineon en kapsel med sju anslutningar för att åstadkomma snabbare drivning av en MOSFET, med en separat source-anslutning för drivsignalens jordsida. Infineon använder D2PAK-7 för sin 1200 V MOSFET.

Juan Colmenares, från Infineon, visade med några uträkningar hur mycket man kan spara genom att ersätta Si med SiC i en 1 MW UPS för en datacentral. Räkneexemplet förutsatte 500 kW under dygnets alla timmar i fem år, vilket betyder att 22 miljoner KWh skall passera anläggningens enhet för avbrottsfri kraft. Om elpriset är 0,1 euro kostar effektförlusterna 84 000 euro för Si av nivå 2-komponenter (3,2 procent förluster), 76 000 euro för Si av nivå 3-komponenter (2,9 procent förluster) och 45 000 euro för SiC nivå 2-komponenter (1,7 procent förluster).

Minihybrid
Harafusa Kondo, Mitsubishi, angav 21 procents minskade förluster genom att använda en SiC-Schottky-barriärdiod (SBD) i stället för en Si-diod. Ännu mer finns att vinna i att integrera funktioner för att hålla strökapacitanser och ströinduktanser nere. Hybridkretsen DIPPFC integrerar drivkrets och två Si-IGBT med två SiC SBD-dioder. Integrationen möjliggör högre frekvenser och sparad kretskortsyta. Lösningen sänker förlusterna med 15 procent, gentemot en lösning helt i Si.

Men i den helt SiC-bestyckade hybridkrets PSF15S92F6, med såväl SBD-dioder som MOSFET i SiC, sänker man förlusterna med kring 70 procent! En annan fördel är att störnivån sänks genom mjuk återhämtning av body-diodens laddning.

Massmarknad för SiC
Föredraget av Nicola Mingirulli, Bosch, kretsade kring applikationer  i elbilar: DC/DC-omvandlare, inverterare och inbyggda laddare.
– Vi kommer att få se att halvledare med brett bandgap tar över i stor skala.
SiC gör det möjligt att använda högre frekvenser. Det leder till att passiva komponenter (L och C) tar mindre plats. För konstruktion av motordrivkretsar får man dock se upp med att högre spänningsderivata (dU/dt) kan skada en drivmotor vars övre frekvensområde sätter en gräns.

Lägre R_DSon ger ökad verkningsgrad i alla tillämpningar. Och lägre förluster skapar givetvis ett minskat behov av kylning.

Nicola Mingirulli visar att man spar 8 procent energi i elektroniken i elbilens drivlina genom att byta ut Si mot SiC. Han hävdar också att trench-MOSFET har en överlägsen arkitektur: Den har högst potential i att nå de teoretiska gränserna för SiC.

En intressant kandidat för användning i drivlinan är GaN/GaN-transistorer med vertikal uppbyggnad. Sådana skulle kunna ge lägre R_DSon än vad SiC teoretiskt kan ge. Med vertikal GaN/GaN kan man kombinera fördelarna i vertikalt uppbyggda transistorer med GaN HEMT.
– Men tekniken är långt ifrån färdigutvecklad och det krävs grundforskning för att förstå de verkliga möjligheterna med vertikal GaN-teknik, sade Nicola Mingirulli.

Goda erfarenheter i tåg
Bobardier demonstrerade redan vid förra årets SCAPE hur man med SiC kunde skapa en betydligt kompaktare och energieffektiv styrelektronik för elmotorerna i ett tunnelbanetåg.

SiC-lösningen till höger kräver inte forcerad kylning (Ill: Bombardier)

Förlusteffekten kunde sänkas så mycket att forcerad kylning av den tidigare Si IGBT-lösningen kunde ersättas med kylning genom tågens fartvind. Lösningen har framgångsrikt provats på Stockholms tunnelbanetåg.
Martin Lindahl, industridoktorand vid KTH och nu verksam vid Bombardier, har analyserat överspänning på tågens elmotorer. De förbättrade högfrekvensegenskaperna hos SiC gör att konstruktionsarbetet kräver HF-modeller för både motor och kablage. Simuleringarna genomfördes med programvaran SPICE.

Simuleringarna avslöjade toppspänningar över motoranslutningarna. Eftersom stående-vågor kan bildas på ledningarna finns det risk för nästan dubbla matningsspänningen i vågtopparna.

De första undersökningarna ger hopp om man inte skall behöva extra filter. Arbetet går nu vidare hos Bombardier.

Kraftomvandlare för maskiner
Liknande problematik tog Tord Nilsson, Inmotion technology, upp i sin presentation.

Företaget utvecklar och tillverkar kraftelektronik för el-drivna, tyngre fordon som bussar, truckar och maskiner. Några exempel är DC/DC-omvandlare för 12/24 V in och 350 – 650 V ut med 3,75 – 7,5 kW effekt, strömriktare med 350 – 605 V DC in och 3-fas AC ut med upp till 400 kVA toppström. Den senare innehåller 20 parallellkopplade 80 mohm SiC MOSFET.

Funktionen påverkas i hög grad av anslutna ledningslängder, maskinernas strökapacitanser och de dU/dt som motorerna tål.

Mätningar visar att förlusterna i absolut effekt ökar mer i SiC än i Si om stig- och falltider måste sänkas. Men det är ifrån en mycket lägre nivå – försämringen är bara relativt sett högre.

En annan viktig slutsats av mätningar är att SiC inte klarar kortslutning lika länge som Si-transistorer.

Flygburen utrustning
Företaget Qrtech AB ligger i Mölndal. Ett av deras produktsortiment är kraftlösningar för flyg.

Kenneth Nilsson visade en lösning för 3-fas 115 VAC 360 – 800 Hz till 400 VDC, 5 kW, med effektfaktorkorrigering (PFC). I en ny kretslösning, där SiC ingår, kunde vikten minskas från 10 till 2,5 kg!

Utgångspunkten var att kunna ha så små X-kondensatorer som möjligt i EMC-filtret och ha så låga rippelströmmar som möjligt. För att nå målen skulle switchfrekvensen vara så hög som möjligt.

Som topologi valdes en Wien-likriktare. Det är en pulsbreddsmodulerad likriktare som kan fungera som effektfaktorkorrigering.
Gunnar Lilliesköld, Elektronik i Norden

Filed under: SvenskTeknik, Teknikartiklar