Galyum nitrür (GaN) ve silisyum karbür (SiC) arasındaki fark nedir?

Silikon onlarca yıldır transistör dünyasına hakim oldu. Ama bu değişiyor. Benzersiz avantajlar ve üstün özellikler sunan, iki veya üç malzemeden oluşan bileşik yarı iletkenler geliştirilmiştir. Örneğin bileşik yarı iletkenlerle ışık yayan diyotlar (led'ler) geliştirdik. Bir tür galyum arsenit (GaAs) ve galyum fosfor arsenitten (GaAsP) oluşur. Diğerleri indiyum ve fosfor kullanır. Sorun şu ki, bileşik yarı iletkenlerin üretimi daha zor ve daha pahalıdır. Ancak silikona göre önemli avantajları vardır. Otomotiv elektrik sistemleri ve elektrikli araçlar (EV'ler) gibi yeni ve daha zorlu uygulamalar, bileşik yarı iletkenlerin katı spesifikasyonları daha iyi karşıladığını buluyor.

İki bileşik yarı iletken cihaz, galyum nitrür (GaN) ve silisyum karbür (SiC) güç transistörleri şemalar olarak ortaya çıktı. Bu cihazlar, uzun ömürlü silikon gücüyle çapraz olarak dağılmış metal oksit yarı iletken (LDMOS) MOSFET'ler ve süper bağlantı MOSFET'leriyle rekabet eder. GaN ve SiC cihazları bazı açılardan benzerdir ancak önemli farklılıklar da vardır. Bu makale ikisini karşılaştırıyor ve bir sonraki tasarımınıza karar vermenize yardımcı olacak bazı örnekler sunuyor.

Geniş bant aralıklı yarı iletken

Bileşik yarı iletkenler geniş bant aralıklı (WBG) cihazlar olarak bilinir. Kafes yapılarını, enerji seviyelerini ve diğer kafa karıştırıcı yarı iletken fiziğini bir kenara bırakarak, WBG tanımının, bir bileşik yarı iletkende akımın (elektronların) nasıl aktığını açıklamaya çalışan bir model olduğunu söyleyelim. WBG bileşik yarı iletkenleri daha yüksek elektron hareketliliğine ve daha yüksek bant aralığı enerjisine sahiptir, bu da silikondan daha üstün özelliklere dönüşür. WBG bileşik yarı iletkenlerinden yapılan transistörler, daha yüksek bir arıza voltajına ve yüksek sıcaklıklara toleransa sahiptir. Bu cihazlar yüksek gerilim ve yüksek güç uygulamalarında silikona göre avantajlar sunmaktadır.

WBG transistörleri ayrıca silikondan daha hızlı geçiş yaparak daha yüksek frekanslarda çalışmalarına olanak tanır. Daha düşük "açık" direnç, daha az güç harcayarak enerji verimliliğini artırdıkları anlamına gelir. Bu benzersiz özellik kombinasyonu, bu cihazları, özellikle hibrit ve elektrikli araçlar olmak üzere otomotiv uygulamalarındaki en zorlu devrelerin bazıları için çekici kılmaktadır. GaN ve SiC transistörleri, otomotiv elektrikli ekipmanlarının zorluklarını karşılamak için hazır hale geliyor.

GaN ve SiC cihazlarının başlıca satış noktaları şu avantajlardır:

650 V, 900 V ve 1200 V cihazlarda yüksek gerilim özelliği mevcuttur.

Daha hızlı anahtarlama hızı.

Daha yüksek çalışma sıcaklığı.

Daha düşük direnç, minimum güç kaybı ve daha yüksek enerji verimliliği.

GaN transistörleri

Radyo frekansı (RF) gücü alanında, GaN transistörlerinin erken iş fırsatlarına sahip olduğu görüldü. Malzemenin doğası, tükenme modu alan etkili transistörlerin (FET'ler) geliştirilmesine izin verdi. Sahte durum yüksek elektron hareketlilik transistörleri (PHEMT'ler) olarak bilinen tükenme tipi (veya D tipi) FET'ler, doğal olarak "devam eden" cihazlardır; Kapı kontrol girişi olmadığından doğal iletim kanalı bulunmaktadır. Geçit giriş sinyali, cihazın kanal açılmasını, açılmasını ve kapanmasını kontrol eder.

Anahtarlama uygulamalarında genellikle "kapalı" geliştirilmiş (veya E-tipi) cihazlar tercih edildiğinden, bu durum E-tipi GaN cihazlarının geliştirilmesine yol açmıştır. Birincisi, iki FET cihazının kademelenmesidir (Şekil 2). Artık standart E tipi GaN cihazları mevcuttur. Onlarca kilowatt gücünde, 10 megahertz'e kadar frekanslarda açılıp kapatılabilirler.

GaN cihazları, kablosuz cihazlarda 100 GHz'e kadar frekanslara sahip güç amplifikatörleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.Ana kullanım durumlarından bazıları hücresel baz istasyonu güç amplifikatörleri, askeri radar, uydu vericileri ve genel amaçlı RF amplifikasyonudur.Ancak yüksek gerilim (1000V'a kadar), yüksek sıcaklık ve hızlı anahtarlama nedeniyle DC-DC dönüştürücüler, invertörler ve akü şarj cihazları gibi çeşitli anahtarlama gücü uygulamalarına da dahil edilirler.

SiC transistörler

SiC transistörleri doğal E tipi MOSFET'lerdir. Bu cihazlar, silikon MOSFET'lerden çok daha yüksek voltaj ve akım seviyeleriyle 1 MHz'e kadar frekanslarda anahtarlama yapabilir. Maksimum drenaj kaynağı voltajı yaklaşık 1.800 V'a kadardır ve akım kapasitesi 100 amperdir. Buna ek olarak SiC cihazları, silikon MOSFET'lere göre çok daha düşük bir dirence sahiptir, bu da onları tüm anahtarlamalı güç kaynağı uygulamalarında (SMPS tasarımları) enerji açısından daha verimli hale getirir. Önemli bir dezavantaj, diğer MOSFET'lere göre daha yüksek geçit sürücü voltajı gerektirmeleridir, ancak tasarımdaki gelişmelerle birlikte bu artık bir dezavantaj değildir.

SiC cihazları, düşük dirençli cihazlardan geçmek için 18 ila 20 voltluk kapı voltajlarına ihtiyaç duyar. Standart Si MOSFET'lerin tamamen iletken olması için 10 volttan daha az kapıya ihtiyaç vardır. Ek olarak SiC cihazlarının kapalı duruma geçmesi için -3 ila -5 V'luk bir geçit sürücüsü gerekir. Ancak bu ihtiyacı karşılamak için özel kapı sürücüsü ic'leri geliştirilmiştir.SiC MOSFET'ler genellikle diğer alternatiflerden daha pahalıdır ancak yüksek voltaj ve yüksek akım yetenekleri, onları otomotiv güç devrelerinde kullanıma çok uygun hale getirir.

WBG transistörleri için rekabet

Hem GaN hem de SiC cihazları diğer olgun yarı iletkenlerle, özellikle silikon LDMOS MOSFET'ler, süper bağlantı MOSFET'leri ve IGBT'lerle rekabet eder. Birçok uygulamada bu eski cihazların yerini yavaş yavaş GaN ve SiC transistörler alıyor. Örneğin birçok uygulamada IGBT'lerin yerini SiC cihazları alıyor. SiC cihazları daha yüksek frekanslarda (100 KHZ + vs. 20 KHZ) açılıp kapatılabilir, bu da enerji verimliliğini artırırken herhangi bir indüktör veya transformatörün boyutunun ve maliyetinin azaltılmasına olanak tanır. Ayrıca SiC, GaN'den çok daha büyük akımları kaldırabilir.

GaN ve SiC arasındaki karşılaştırmayı özetlemek gerekirse, öne çıkanlar şunlardır:

GaN, Si'den daha hızlı geçiş yapar.

SiC, GaN'den daha yüksek bir çalışma voltajına sahiptir.

SiC, yüksek geçit tahrik voltajı gerektirir.

Süper bağlantı MOSFET'lerinin yerini yavaş yavaş GaN ve SiC alıyor. SiC, araç içi şarj cihazlarının (OBC'ler) favorisi gibi görünüyor. Mühendisler daha yeni cihazlar keşfedip bunları kullanma deneyimi kazandıkça bu trend şüphesiz devam edecek.

Otomotiv Uygulamaları

Otomotiv uygulamalarına yönelik birçok güç devresi ve cihazı, GaN ve SiC tasarımıyla geliştirilebilir. En büyük faydalanıcılardan biri otomotiv elektrik sistemleridir. Modern hibrit ve saf elektrikli araçlarda bu cihazları kullanabilecek cihazlar bulunmaktadır. Bu popüler uygulamalardan bazıları OBC, DC-DC dönüştürücüler, motor sürücüleri ve lazer radarıdır (LiDAR).

DC / DC çevirici. Bu, diğer elektrikli ekipmanı çalıştırmak için yüksek akü voltajını daha düşük bir voltaja dönüştüren bir güç kaynağı devresidir. Mevcut akü voltaj aralığı 600 veya 900 volt kadar yüksektir. DC-DC dönüştürücü, diğer elektronik bileşenlerin çalışması için bunu 48 volta veya 12 volta veya her ikisine birden düşürür. Hibrit elektrikli araçlarda ve elektrikli araçlarda (HEVEV'ler), DC-DC, akü grubu ile invertör arasında yüksek gerilim veriyolu olarak da kullanılabilir.

Araç Şarj Cihazı (OBC'ler). Takılabilir HEVEV'ler ve EV'ler, AC güç kaynağına bağlanabilen dahili bir akü şarj cihazı içerir. Bu, harici bir AC-DC şarj cihazına ihtiyaç duymadan evde şarj yapılmasına olanak sağlar.

Ana tahrik motoru sürücüsü. Ana tahrik motoru, aracın tekerleklerini çalıştıran yüksek çıkışlı bir AC motordur. Sürücü, motoru çalıştırmak için akü voltajını üç fazlı alternatif akıma dönüştüren bir invertördür.

LiDAR. LiDAR, çevredeki nesneleri tespit etmek ve tanımlamak için ışık ve radar yöntemlerini birleştiren bir teknolojiyi ifade eder. Darbeli kızılötesi lazerle 360 ​​derecelik bir alanı tarar ve yansıyan ışığı tespit eder. Bu bilgiler, yaklaşık 300 metre mesafeden, birkaç santimetre çözünürlükte, ayrıntılı üç boyutlu görüntülere dönüştürülüyor. Yüksek çözünürlüğü, yakındaki nesnelerin tanınmasını iyileştirmek amacıyla onu araçlar için, özellikle de otonom sürüş için ideal bir sensör haline getiriyor. LiDAR cihazları, bir DC-DC dönüştürücüden türetilen 12-24 volt DC voltaj aralığında çalışır. GaN ve SiC transistörleri yüksek voltaj, yüksek akım ve hızlı anahtarlama ile karakterize edildiğinden otomotiv elektrik tasarımcılarına esnek, daha basit tasarımlar ve üstün performans sağlarlar.

FOUNTYL TEKNOLOJİLERİ PTE. LTD. ileri seramik seti Ar-Ge, üretim ve satış alanında modern bir kuruluştur ve esas olarak gözenekli seramikler, alümina, zirkonya, silisyum nitrür, silisyum karbür, alüminyum nitrür, mikrodalga dielektrik seramikler ve diğer gelişmiş seramik malzemeleri üretir. Özel olarak davet edilen Japon teknoloji uzmanımız, yarı iletken alanında 30 yılı aşkın endüstri deneyimine sahip olup, yerli ve yabancı müşterilere aşınma direnci, korozyon direnci, yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek ısı iletkenliği, izolasyon ile özel seramik uygulama çözümlerini verimli bir şekilde sunmaktadır.