Annons

Miljökraven driver på utvecklingen av SiC och GaN

IEA 4E PECTA är ett program för att främja utveckling, spridning och användning av kraftelektronik baserat på bredbandgaps-material (Wide Band Gap material, WBG) så som kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) i kraftelektronik. Anledningen är att WBG-material kan ge stora miljövinster jämfört med att använda kisel (Si). Högre verkningsgrad leder ytterst till lägre koldioxidutsläpp.

Under oljekrisen, 1974, bildades den Internationella Energibyrån IEA (International Energy Agency). Från att ha främst bevakat oljemarknaden arbetar IEA numera med prognoser av hur energitillförsel och energianvändning utvecklas över tiden, samt hur det påverkar klimatet. IEA utgör också plattform för flera program som rör energi.

Ett av dessa handlar om energieffektiva apparater, IEA 4E (IEA Energy Efficient End-use Equipment), med representanter från 14 länder: Australien, Österrike, Kanada, Kina, Danmark, Frankrike, Japan, Korea, Holland, Nya Zeeland, Schweiz, Sverige, Storbritannien och USA.

Programmet har fyra delprogram, eller annex, som tittar på hur det går att uppnå effektivare energianvändning hos elmotorer, uppkopplade apparater, LED-belysning samt kraftelektronik. Det sistnämnda annexet, IEA 4E Power Electronics Conversion Technology Annex, förkortat IEA 4E PECTA, hade nyligen ett seminarium på initiativ från Energimyndigheten och WBG Power Center.

Hans-Peter Nee, professor vid KTH, inledde med att poängtera den drastiska förbättring man kan nå med att välja SiC i stället för Si (kisel) i en effektomvandlare. KTH har uppnått 99,75 procents verkningsgrad i en spänningsomvandlare!

– Framför allt blir verkningsgraden högre vid del-last. Såväl ledningsförluster som switchförluster är lägre. Efterledningen är mycket liten. Problemet är bara att mata in tillräcklig effekt till gaten. Den kan matas på 5 ns – men det är inte lätt, säger han.

– Med WBG kan format och vikt minskas och vi kan ha mindre batterier.

Parisavtalet visar vägen
Peter Bennich, Energimyndigheten, ingår även i ledningsgruppen för PECTA. Han hänvisade till Parisavtalet, för fem år sedan, som skall begränsa jordens uppvärmning till 1,5 °C. EU har därför satt upp mål om bland annat effektivare energianvändning med 32,5 procent samt ökad andel förnybar energi på tillförselsidan med 32 procent till år 2030.Tillsammans ska de bidra till att minska EU:s koldioxidutsläpp med 55 procent (jämfört med 1990) till år 2030.

Första fasen av PECTA blev klar i maj 2020, redovisad i en rapport som finns tillgänglig[PB1]. Vi är nu inne fas två som är uppdelat i ett antal uppgifter:

A) Fakta om uppnådd verkningsgrad för olika applikationer kompletteras och uppdateras.

B) Livscykelanalyser för SiC- och GaN-komponenter skärskådas med hänsyn till såväl tillverkning som skrotning. Fokus ligger på att samla in data från litteratur och från industrimedlemmar.

C) Rapporten från fas 1 uppdateras med nya applikationer som använder WBG-material. Arbetet förväntas koordineras med organisationen ECPE och avstämning ske med industrin.

D) Förslag till styrmedel tas fram och analyseras utifrån tänkbara applikationer som baseras på WBG.

E) Utveckling och harmonisering av olika standarder behövs för att utveckla WBG-marknaden. PECTA stöttar därför arbetet med att komplettera dagens standarder enligt JEDC, IEC osv.

F) Verkningsgraden i GaN-baserade kraftaggregat mäts upp och jämförs med Si-baserade. Testmetoder för dessa mätningar utvärderas. Analyser av tänkbar ökning av verkningsgrad utförs också.

G) Preliminär idé. Utlys en global tävling där mest energieffektiva applikationen som använder WBG-komponenter utses, som ett sätt att öka intresset för WBG. Inga priser ges annat än ära och berömmelse.

Lösningen är brett bandgap
Peder Bergman, professor vid Linköpings Universitet, gjorde en jämförelse mellan kisel och kiselkarbid:

– Ett större bandgap betyder hårdare bindningar mellan atomerna vilket ger överlägsna egenskaper: Det behövs högre elektriska fält för att bryta atombindningarna. Den kritiska fältstyrkan, mätt i MV/cm, är för SiC 2,2, jämfört med 0,23 för Si och 3,3 för GaN.

Ledningsförlusterna (RDS(on)) är låga tack vare att en SiC MOSFET är unipolär. Si-IGBTer och dioder har ett framspänningsfall på 0,7 V vilket påverkar ledningsförlusterna. En MOSFET uppför sig å andra sidan som en resistans. Den kan minskas genom att öka aktiv yta.

Jämfört med en Si IGBT är en SiC MOSFET unipolär. Av det följer att den kan uppnå låga switchförluster tack vare att den saknar laddningar som måste laddas ur vid frånslag. Typiskt blir switchförlusterna 80 procent lägre (trots MOSFETens PIN-diodladdning), jämfört med kisel. Detta tillåter högre switchfrekvenser vilket i sin tur innebär mindre kondensatorer och induktorer/transformatorer i en omvandlare.

Högre temperaturer är en annan stor fördel med SiC. Läckströmmarna är lägre och värmeledningen betydligt bättre än för kisel.

Maximalt användbar temperatur är mycket högre än för kisel, >400 °C jämfört med 175 °C.

Jämför med kisel kan en SiC MOSFET dra nytta av inbyggd frihjulsdiod: Med basspänningen positiv fungerar den som diod som utgör en MOSFET-kanal medan den är en PIN-diod i backriktningen.

GaN för lägre spänningar
GaN har andra egenskaper som passar för spänningar lägre än 600 V, för konsumenttillämpningar och RF. Generellt sätt ställer GaN lägre krav på gateladdning än både Si och SiC. Negativ gate-source-spänning kan behövas för tillförlitlig brytning, men knappast någon av dagens GaN-komponenter av anrikningstyp (enhancement mode) tillåter detta.
Gate-sourcespänningen begränsas till <10 V, att jämföra med 20 V för Si och SiC. Läckströmmen i GaN är högre, p.g.a. orenheter i materialet. GaN-transistorer har ingen inbyggd frihjulsdiod. Slutligen liknar GaN Si med avseende på temperaturegenskaper där SiC är betydligt bättre.

Jämfört med Si och SiC har en GaN HEMT mycket lägre produkt av gate-laddningen (QG) och ledningsresistansen R(DS(on). Det leder till att mycket högre switchfrekvens kan användas.

Dagens ”roadmaps”
Hur ser framtida utvecklingsvägar ut? Ett antal organisationer ger olika svar på frågan:

Från ECPE kommer ”WBG roadmap lead applications for SiC and GaN”. Enligt ECPE kommer automotive att bli det dominerande området.

Power Americas har givit ut ”Strategic roadmap for next generation wide band gap power electronics”. Den pekar ut nyckelmarknader och applikationsområden och sätter upp mål för utvecklingen av Si- och GaN-komponenter och pekar ut barriärer för utvecklingen.

ITRW ”International technology roadmap on wide bandgap semiconductors” är framtagen av IEEE Power Electronic Society. Dess roadmap har fokus på teknologiska aspekter på komponenter med brett bandgap. Den beskriver dagens status och ger prognoser för spannen <5 år, 5-15 år och >15 år.

CASA, China Advanced Semiconductor Industri Innovation Alliance, kom fram på initiativ av forskningsinstitut, universitet och ledande företag.

SiC Alliance grundades 2010 på basis av tre japanska forskningsprojekt. Medlemmarna kommer från i huvudsak dessa tre projekt.

Yole är ett franskt kommersiellt företag som har varit aktivt under många år och stöttat de svenska kiselkarbidkonferenserna (Se tidigare artiklar under avdelningen Teknik). Den första rapporten från PECTA säger att de alltid har varit överambitiösa, men att de under senare år väl har predikterat tillväxten för effektelektronik med SiC.

För GaN marknaden anger de två utvecklingsvägar: En kraftigare, där LIDAR, datacentra, trådlös laddning av mobiltelefoner och EV/HEV ingår och som slutar på över 400 miljoner dollar år 2023. Den andra utvecklingsvägen slutar på runt 120 miljoner dollar.

Framtiden
– Positivt är att det nu finns second source på marknaden och därtill utvecklingssatser för SiC- och GaN-halvledare, säger Carl Mikael Zetterling, professor KTH.

Hans-Peter Nee påpekar att tillkomsten av WBG-komponenter nu sätter press på komponenttillverkarna att få fram nya passiva komponenter.

– Keramiska kondensatorer utvecklas nu mycket snabbt i olika riktningar. Vad man vill ha är lågt rippel, låga förluster och låg resistans. Magnetkomponenter genomgår nu en renässans vad gäller transformatorkonstruktion.

Leave a Reply