Annons

Kiselkarbid ger en framtid för kraftelektroniken

Vårens "Workshop on silicon carbide power electronics for automotive and traction applications", arrangerad av Transic, Acreo och KTH i samarbete, visade den potential som SiC-komponenter i sig har i effekttillämpningar

C Mark Johnson ledde Englands nationella program i kiselkarbidteknik under åren 1998-2001. Han är professor vid universitetet i Nottingham där han bl a leder forskningen runt halvledarkomponenter för hög effekt, kapsling av effekthalvledare och tillämpad effektelektronik.
Han förutspår att den andel elkraft som styrs av effektelektronik kommer att öka från 40 till 80 procent, räknat från år 2000 till 2015. Den globala marknaden för effekthalvledare uppgick 2007 till 9,6 miljarder dollar. År 2013 kommer den att vara 17,7 miljarder dollar, med en årlig tillväxt av 11,6 procent. Tillväxten sker inom följande områden.
* Kraftaggregat. Där kan nya koncept leda till 2-4 procents förbättring i verkningsgrad.
* Motorstyrning. I utvecklingsländerna konsumeras 50-60 procent energiförbrukningen av elmotorer. Genom att styra dessa effektivare kan siffran sänkas till 20-30 procent.
* Vitvaror. Elektroniska termostater för kylskåp och frysar kan spara 23 procent och ytterligare 20 procent kan vinnas genom att använda elektronik för effektreglering av kompressormotorer (med 3-fas permanentmagnets likströmsmotorer).
* Belysning. Effektelektronik kan förbättra verkningsgraden i lysrörsbelysning med minst 20 procent.
* Förnyelsebar energi. Sådan tillåter inte anslutning till elnät utan effektelektronik.
* Framtida elnät. Dessa kommer att innehålla effektelektronik.
* Fordonselektronk. Kraftkällor av el- eller hybridtyp är inte möjliga utan effektelektronik.* Flyg- och rymdfart. Kraftelektronik kan i det sammanhanget leda till minskad vikt vilket reducerar bränslebehovet över en flygcykel.
Den avgörande begränsningen hos effektelektronik kommer från de begränsningar som effekthalvledare i kisel ger, nämligen hastighet, verkningsgrad och temperatur. Effekthalvledare i kiselkarbid kan övervinna dessa begränsningar.
högre temperaturer
I många av nämnda tillämpningar arbetar effektelektroniken i utrymmen med hög omgivningstemperatur och de kanske även måste rymmas inom en liten volym.
De faktorer som begränsar är förluster (låg verkningsgrad), kylkapacitet (värmeöverföring från ytan), energilagring och en övre gräns för temperaturen i själva "kärnan".
Kiselkarbiden tål väsentligt mycket högre temperaturer än kisel. Det är en stor fördel, och möjliggör många nya tillämpningar, men detta ställer krav på en utveckling av nya typer av kapslar.
Professor C Mark Johnsson tog dock upp ett annat problem i sammanhanget, nämligen de passiva komponenternas begränsningar. Det handlar om såväl låg energitäthet som dålig tålighet mot höga temperaturer: Energitätheten är <0,05 J/cm3 i filmkondensatorer och <0,003 J/cm3 i induktorer. Exempelvis elektrolytkondensatorer tål bara 100°C och filmkondensatorer tål 150°C. Keramiska tekniker ger dålig temperaturstabilitet och är inte självreparerande, men kompositfilmer av polymer och keramik har en potential till högre energidensitet och termisk stabilitet upp till 150°C.

Avslöjande temperaturcykling
Professor Josef Lutz, vid det tekniska universitetet i Chemnitz är en auktoritet på området kapsling av komponenter. Han berättade om hur kapslar testas med temperaturcykling. Problemet ligger i en kombination av material med olika temperaturutvidgning och problemet ökar vid stora chip. Tag som ett exempel en vanlig TO-kapsel där ett 63 mm2 stort chip ligger på en kopparplatta. Kisel har en utvidgningskoefficient av 3×10-6/K medan koppar har 17,5×10-6/K. Det visade sig att en sådan konstellation vid 110K temperaturintervall (Dt) bara klarar 3800 cykler innan sprickor uppstår i kislet. Lutz visade att man genom att använda ett sammansatt material som Al2O3-DCB, med utvidgningskoefficienten 7,2×10-6/K, i stället klarade 50 000 cykler innan fel uppstod. I det fallet lossnade bondtrådar.
Professor Lutz pekade ut svaga punkter i kapseln till en effekttransistor. Han påpekade att anslutningarna mot kiselkarbid får ta upp tre gånger så hög deformation som mot kisel.
Josef Lutz sammanfattar sina slutsatser i några råd för kapsling av effektkomponenter:
* De ingående materialen bör ha bättre samstämmighet beträffande termisk temperaturutvidgningskoefficient och termisk ledningsförmåga. Lösningen kan bestå i att använda AlSiC, grafit eller diamant som basplatta. Alternativt användes ingen basplatta. Substraten bör vara av Si3N4.
* De interna elektriska förbindningarna måste förbättras. Det innebär optimerade bondparametrar, andra lödmaterial än idag eller ersättningen av lod med sintrade lager av silver.
Sintrade lager av silver tål hela 961°C.
Ett försök från 2006 visade att en effekttransistor med sintrade silverförbindningar kunde genomgå 66570 effektcykler, med temperaturintervallet (Dt) 130K, utan att komponenten förstördes.

Mycket lägre resistans
Den stora fördelen med brett bandgap ligger i att det går att åstadkomma transistorer med betydligt lägre Ron i SiC än i Si.
Dr Martin Domeij, forskar och undervisar vid KTH och är medgrundare av TranSIC, förklarar detta med en enkel formel:
Ron = 4VB2/er×µn×Ec3
Insatta värden visar att Ron för en 1 kV komponent kan sänkas med ungefär en faktor 500.
Andra fördelar är att det går att åstadkomma mycket snabba SiC-transistorer och att temperaturtåligheten är väsentligt mycket högre än för kisel.
högspänning
För att nå spänningar över (i dagsläget) på någon eller några kV måste man ta till knep, som att exempelvis bygga kaskader. Professor J W Kolar, ansvarig för effektelektronik och för laboratoriet i elektrometrologi vid ETH (Eidgenössische Techniche Hochshule) i Zürich, visade en möjlig uppkoppling där en MOSFET i kisel driver 6 seriekopplade JFET i kiselkarbid.
Varje SiC FET tål maximalt 1200 V. Tack vare att spänningen fördelas över kaskaden kan denna ha en märkspänning av 5 kV. En "superkaskad" som denna klara till och frånslag av 5 kV på mindre än 100 ns! Det betyder en spänningsderivata (dv/dt) som överstiger 100 kV/µs vid tillslag. Frånslagstiden är beroende av belastningsströmmen.
Med den presenterade superkaskaden är det möjligt att bygga en DC/DC-omvandlare från 5 kV till 5 kV som tål 100 kW och som bara väger 13 kg. Den totala förlusten är 1,8 kW vilket innebär en verkningsgrad av 98,2 procent.
Tack vare att switchfrekvenserna kan höjas radikalt kan också DC/DC-omvandlarnas volym och vikt minskas. Tag som exempel en transformator för 50 Hz, som idag väger 3000 kg. En omvandlare som bygger på superkaskaden kan switcha med 50 kHz vilket innebär att totalvikten kan reduceras till 100 kg.
Ett framtida mål är en 25 kV switch som bygger på sex JFET som var och en tål 6,5 kV vilket betyder totalt 39,9 kV blockeringsspänning.

Två svenska projekt
I Stockholm arbetar professor Hans-Peter Nee, KTH, och professor dr Mietek Bakowski, Acreo, med ett projekt som nyligen startat. Målet är att ta fram en högtemperaturs, flerchips kiselkarbidmodul för hybridbilar som klarar 50 kW, 1200 V, 200 A och som har en verkningsgrad på 99 procent. Modulen skall kylas med kylvatten, med maximitemperatur 110°C, och den skall klara 250°C omgivningstemperatur. Partner i projektet är Vinnova, Transic och Energimyndigheten. I projektet utvärderar man tre utvecklingsriktningar inom switchar: bipolär transistor (BJT) + en diod, JFET (som inte kräver någon extra diod) och MOSFET. Switchens resistans i framriktningen är en fråga med hög prioritet. En annan fråga gäller drivkretsarna till JFET och BJT.
Det finns vissa problem med att driva BJT och JFET: BJT drar hög basström och JFET (depletion mode) är normalt ledande och kan kräva en negativ förspänning (kanske -50 V). Det innebär en risk för försämrad tillförlitlighet eftersom ett spänningsbortfall kan leda till katastroffel. Spänningssättningen vid tillslag kräver en viss strategi.

Är det möjligt att bygga logik i SiC?
Man undersöker även passiva komponenter och deras lämplighet för högtemperaturmodulerna samt ser på frågor om kylning och kapsling.
Myter och missuppfattningar
Bruce Carsten, auktoritet på området switchning med halvledare och verksam inom företaget Bruce Carsten Associates Inc, presenterade en jämförelse mellan olika typer av halvledare och deras lämplighet för switchning. Det gällde PN-dioder kontra Schottkydioder, MOSFET, JFET (depletion och enhancement), junctiontransistor (BJT) samt konstellationerna SCR/GTO, IGBT och MOS-grindad tyristor.
Speciellt framhävde han BJTer som fördelaktiga framför andra typer av effekthalvledare i kiselkarbid:
* BJT har mycket lägre ON-spänning än FET i högströmstillämpnignar, på grund av konduktiv modulation (CM).* BJT har även lägre ON-spänning än andra CM-komponenter (inget PN-diodspänningsfall i framriktningen).
* I BJT är graden av CM i hög grad styrbar (vilket tillåter optimering av kretsarna beträffande ledning, driv- och switchförluster).
* CM-lagrad laddning kan avlägsnas utan multiplicering med förstärknignen (snabbare brytning, miminerad "strömsvans").
* Minskad känslighet för yteffekter jämfört med MOS-drivning (detta sätter dock Carsten ett frågetecken för).
Bruce Carsten vill avslöja två myter: Den ena är att BJTer är svåra att driva medan motsatsen skulle gälla för FET. Förklaringen skulle ligga i att BJT är strömdriven medan FET är spänningsdriven.
Fel, menar Carsten: Detta gäller bara för lågfrekvens. Vid högre frekvenser gäller för båda att en laddning skall drivas.
Den andra myten innebär att BJT skulle vara långsamma att switcha medan FET skulle vara snabba.
Carsten menar att till- och frånslag kan göras lika snabbt med en lämplig konstruktion (med fina emittergeometrier) och med snabba drivkretsar. Laddningstiden i bipolära kiseltransistorer kan dock bli långa på grund av breda emitterfingrar och ofta diffunderade kollektorregioner.
För att bygga en bipolär switch menar Carsten att det finns ett potentiellt behov av drivning som kan ge ett konstant förhållande Ib/Ic, men att detta är av mindre betydelse för SiC än för Si på grund av att man kan bortse från minneseffekter.
För att förenkla bör drivkrets och BJT läggas i samma kapsel, vilket kan leda till enklare konstruktioner. Förspänning, i fram- och backriktningarna, kan läggas in för att ge ett säkert arbetsområde (SOA, safe operating area). En fördel med BJT är dess tålighet mot genombrott.
Gunnar Lilliesköld

 

Comments are closed.