28.02.2021

SiC MOSFET для электромобилей следующего поколения

В своих усилиях по максимальному повышению энергоэффективности электрических и гибридных транспортных средств конструкторы сосредотачиваются на устройствах в компактной упаковке и на сборке модулей силовой электроники с высокой тепловой надежностью и низкими коммутационными потерями. Расчетные параметры учитывают уровень мощности, эффективность преобразования и рабочую температуру системы трансмиссии автомобиля; способность рассеивать тепловую энергию; и системный пакет.

SiC против GaN

Запрещенная зона полупроводникового материала относится к энергии, необходимой для выбивания электрона материала из валентной зоны в зону проводимости. Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) являются полупроводниками с широкой запрещенной зоной (WBG), что означает, что этот энергетический уровень для этих материалов выше, чем для кремния (Si): ширина запрещенной зоны Si составляет 1,1 эВ по сравнению с 3,3 эВ для SiC. и 3,4 эВ для GaN. Несмотря на схожую ширину запрещенной зоны SiC и GaN, компоненты на основе этих материалов не являются взаимозаменяемыми, и выбор материала конструктором будет отличаться в зависимости от параметров использования систем, в которых будут работать устройства.

Силовая электроника, обогащенная карбидом кремния, для электромобилей (электромобилей) соответствует проектным параметрам, необходимым для мощных приложений, и, таким образом, вносит значительный вклад в производительность системы и долгосрочную надежность. «Уровень внедрения в индустрии электромобилей огромен, — сказал Джей Кэмерон, вице-президент и генеральный менеджер Power в Cree . «Мировые производители оригинального оборудования объявили об инвестициях в электромобили на сумму более 300 миллиардов долларов США, и мы ожидаем, что 20% всех производимых моделей будут электрифицированы в течение следующих 10 лет».

Характеристики и надежность GaN зависят от температуры и джоулева нагрева канала. Подложки, такие как SiC и алмаз, интегрированные в GaN, могут улучшить управление теплом, позволяя снизить рабочую температуру устройства. GaN-on-SiC очень хорошо работает для приложений с очень высокой частотой (RF) и, таким образом, ожидается, что он будет использоваться в будущих устройствах, которые будут работать с 5G. Между тем, GaN-on-Si сохраняет свое место в низковольтных (<200 В) продуктах, таких как компактные зарядные устройства USB Power Delivery (PD). В диапазоне от 600 В до 650 В обе технологии очень хорошо работают в приложениях мощностью менее 2 кВт.

Благодаря своим превосходным характеристикам минимизации потерь на переключение, GaN может быть правильным решением, когда требуются частоты переключения в мегагерцовом диапазоне. Но при повышенной частоте переключения и значениях тока слабое сопротивление GaN (в 2–3 раза больше, чем у SiC) может ограничить применение GaN при высоких температурах с точки зрения стоимости как устройства, так и системы.

«Благодаря массовому внедрению карбида кремния в автомобильной промышленности, мы видим, что карбид кремния может стать наиболее экономичным решением для еще более широкого спектра конструкций источников питания», — сказал Кэмерон. «Карбид кремния — ключевое решение для бортовых зарядных устройств [OBC]. Улучшения плотности мощности и эффективности по сравнению с кремниевыми реализациями позволяют значительно снизить объем и вес [Рисунок 1] ».

«Продукты Cree позволяют создавать двунаправленные конструкции OBC, которые поддерживают тенденцию V2x [от транспортного средства к транспортному средству или от транспортного средства к электросети]», — добавил Кэмерон. «Благодаря нашему портфелю устройств на 1200 В и 650 В мы можем удовлетворить требования для архитектур электромобилей как 800 В, так и 400 В».

Решения Кри

Выпуская SiC MOSFET Wolfspeed 650-V, Cree нацеливается на более широкий спектр промышленных приложений. Целевые рынки включают электромобили, центры обработки данных и возобновляемые источники энергии. «Существует множество приложений, в которых можно получить выгоду от новых полевых МОП-транзисторов Cree на 650 В, — сказал Кэмерон. «Электромобили и центры обработки данных — это две области, которые могут увидеть огромные преимущества от технологии, которая в первую очередь связана с ее характеристиками высокой эффективности и высокой удельной мощности. По сравнению с кремниевыми альтернативами вы можете увидеть вдвое меньшие потери проводимости, на 75% меньшие потери на переключение и на 70% большую плотность мощности [Рисунок 2]. Эти преимущества естественным образом подходят для электромобилей и центров обработки данных, а также для электросвязи, ИБП [источников бесперебойного питания], солнечных инверторов и прочего ».

Устройства с сопротивлением 15 и 60 мОм, 650 В, соответствующие требованиям AEC-Q101, в которых используется технология Cree SiC C3M MOSFET третьего поколения, обеспечивают более низкие потери переключения и более низкое сопротивление в открытом состоянии, чем предыдущие решения. SiC MOSFET обеспечивает на 75% меньшие потери при переключении и на 50% меньшие потери проводимости, чем кремниевые эквиваленты, что потенциально приводит к увеличению плотности мощности на 300%. Повышенная эффективность и более высокая скорость переключения позволяют клиентам разрабатывать небольшие решения с более высокой производительностью.

«Разработчики блоков питания могут достичь максимальной эффективности в своих продуктах, используя карбид кремния, что позволяет им получать либо больше энергии при том же форм-факторе, либо ту же мощность при меньшем форм-факторе, либо [они могут] максимизировать удельную мощность до уменьшить размер, вес или стоимость », — сказал Кэмерон. «Свойства подложки из карбида кремния имеют решающее значение. Например, как двоюродный брат алмаза — лучшего проводника тепла в природе — карбид кремния имеет значительно лучшие тепловые характеристики по сравнению с кремнием. Чем легче отвод тепла, тем холоднее работает устройство, что усиливает эффект изменения низкого сопротивления в открытом состоянии при изменении температуры.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять