Jaka jest różnica między azotkiem galu (GaN) a węglikiem krzemu (SiC)?

Krzem dominuje w świecie tranzystorów od dziesięcioleci. Ale to się zmienia. Opracowano złożone półprzewodniki składające się z dwóch lub trzech materiałów, które oferują unikalne zalety i doskonałe właściwości. Na przykład w przypadku półprzewodników złożonych opracowaliśmy diody elektroluminescencyjne (LED). Jeden typ składa się z arsenku galu (GaAs) i arsenku galu i fosforu (GaAsP). Inni używają indu i fosforu. Problem w tym, że półprzewodniki złożone są trudniejsze w wykonaniu i droższe. Mają jednak znaczną przewagę nad krzemem. W nowych i bardziej wymagających zastosowaniach, takich jak samochodowe układy elektryczne i pojazdy elektryczne (EV), okazuje się, że półprzewodniki złożone lepiej spełniają rygorystyczne specyfikacje.

Jako schematy pojawiły się dwa złożone urządzenia półprzewodnikowe, tranzystory mocy z azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC). Urządzenia te konkurują z wytrzymałymi krzemowymi tranzystorami MOSFET z poprzecznie rozproszonymi półprzewodnikami z tlenków metali (LDMOS) i superzłączami MOSFET. Urządzenia GaN i SiC są pod pewnymi względami podobne, ale istnieją też znaczne różnice. W tym artykule porównano te dwa rozwiązania i przedstawiono kilka przykładów, które pomogą Ci podjąć decyzję o następnym projekcie.

Półprzewodnik o szerokiej przerwie energetycznej

Półprzewodniki złożone są znane jako urządzenia o szerokiej przerwie energetycznej (WBG). Pomijając struktury sieciowe, poziomy energii i inną zapierającą dech w piersiach fizykę półprzewodników, powiedzmy, że definicja WBG to model, który próbuje opisać, jak prąd (elektrony) przepływają w złożonym półprzewodniku. Półprzewodniki złożone WBG charakteryzują się wyższą ruchliwością elektronów i wyższą energią pasma wzbronionego, co przekłada się na właściwości lepsze od krzemu. Tranzystory wykonane z półprzewodników złożonych WBG charakteryzują się wyższym napięciem przebicia i tolerancją na wysokie temperatury. Urządzenia te oferują przewagę nad krzemem w zastosowaniach wysokiego napięcia i dużej mocy.

Tranzystory WBG przełączają się również szybciej niż krzem, co pozwala im pracować na wyższych częstotliwościach. Niższy opór „włączenia” oznacza, że ​​rozpraszają mniej energii, poprawiając efektywność energetyczną. To unikalne połączenie cech sprawia, że ​​urządzenia te są atrakcyjne dla najbardziej wymagających obwodów w zastosowaniach motoryzacyjnych, zwłaszcza w pojazdach hybrydowych i elektrycznych. Tranzystory GaN i SiC stają się łatwo dostępne, aby sprostać wyzwaniom stojącym przed samochodowym sprzętem elektrycznym.

Głównymi zaletami urządzeń GaN i SiC są następujące zalety:

Możliwość pracy przy wysokim napięciu, dostępna w urządzeniach 650 V, 900 V i 1200 V.

Większa prędkość przełączania.

Wyższa temperatura pracy.

Niższa rezystancja włączenia, minimalne straty mocy i wyższa efektywność energetyczna.

Tranzystory GaN

Stwierdzono, że w dziedzinie mocy częstotliwości radiowej (RF) tranzystory GaN stwarzają pierwsze możliwości biznesowe. Charakter materiału pozwolił na opracowanie tranzystorów polowych (FET) działających w trybie wyczerpania. Tranzystory FET typu wyczerpanego (lub typu D), znane jako tranzystory pseudostanowe o wysokiej ruchliwości elektronów (PHEMT), są naturalnie urządzeniami „pracującymi”; Ponieważ nie ma wejścia sterującego bramką, istnieje naturalny kanał przewodzący. Sygnał wejściowy bramki steruje włączaniem, włączaniem i wyłączaniem kanału.

Ponieważ w zastosowaniach przełączających preferowane są zwykle „wyłączone” ulepszone urządzenia (lub typu E), doprowadziło to do opracowania urządzeń GaN typu E. Pierwsza to kaskada dwóch urządzeń FET (rysunek 2). Obecnie dostępne są standardowe urządzenia GaN typu E. Można je włączać i wyłączać przy częstotliwościach do 10 megaherców, przy mocy kilkudziesięciu kilowatów.

Urządzenia GaN są szeroko stosowane w urządzeniach bezprzewodowych jako wzmacniacze mocy o częstotliwościach do 100 GHz.Niektóre z głównych zastosowań to wzmacniacze mocy komórkowych stacji bazowych, radary wojskowe, nadajniki satelitarne i wzmocnienia RF ogólnego przeznaczenia.Jednak ze względu na wysokie napięcie (do 1000 V), wysoką temperaturę i szybkie przełączanie, są one również wykorzystywane w różnych zastosowaniach zasilania impulsowego, takich jak przetwornice DC-DC, falowniki i ładowarki akumulatorów.

Tranzystory SiC

Tranzystory SiC to naturalne tranzystory MOSFET typu E. Urządzenia te mogą przełączać się z częstotliwością do 1 MHz, przy poziomach napięcia i prądu znacznie wyższych niż krzemowe MOSFET-y. Maksymalne napięcie dren-źródło wynosi około 1800 V, a obciążalność prądowa wynosi 100 amperów. Ponadto urządzenia SiC mają znacznie niższą rezystancję włączenia niż krzemowe tranzystory MOSFET, co czyni je bardziej energooszczędnymi we wszystkich zastosowaniach zasilaczy impulsowych (konstrukcje SMPS). Kluczową wadą jest to, że wymagają one wyższego napięcia sterującego bramką niż inne tranzystory MOSFET, ale dzięki ulepszeniom konstrukcji nie jest to już wadą.

Urządzenia SiC wymagają napięcia bramki od 18 do 20 woltów, aby przejść przez urządzenia o niskiej rezystancji włączenia. Standardowe tranzystory MOSFET Si wymagają mniej niż 10 woltów bramki, aby były w pełni przewodzące. Ponadto urządzenia SiC wymagają napędu bramki od -3 do -5 V, aby przełączyć się w stan wyłączony. Jednakże, aby sprostać tym potrzebom, opracowano dedykowane układy scalone sterowników bramek.Tranzystory MOSFET SiC są na ogół droższe niż inne alternatywy, ale ich wysokie napięcie i wysokie możliwości prądowe sprawiają, że dobrze nadają się do stosowania w obwodach zasilania samochodów.

Konkurencja dla tranzystorów WBG

Zarówno urządzenia GaN, jak i SiC konkurują z innymi dojrzałymi półprzewodnikami, zwłaszcza krzemowymi tranzystorami MOSFET LDMOS, superzłączami MOSFET i IGBT. W wielu zastosowaniach te starsze urządzenia są stopniowo zastępowane przez tranzystory GaN i SiC. Na przykład w wielu zastosowaniach tranzystory IGBT są zastępowane urządzeniami SiC. Urządzenia SiC można włączać i wyłączać przy wyższych częstotliwościach (100 KHZ + w porównaniu z 20 KHZ), co pozwala na zmniejszenie rozmiaru i kosztu dowolnej cewki indukcyjnej lub transformatora przy jednoczesnej poprawie efektywności energetycznej. Ponadto SiC może wytrzymać znacznie większe prądy niż GaN.

Podsumowując porównanie GaN i SiC, oto najważniejsze informacje:

GaN przełącza się szybciej niż Si.

SiC ma wyższe napięcie robocze niż GaN.

SiC wymaga wysokiego napięcia sterującego bramką.

Superzłączowe MOSFETy są stopniowo zastępowane przez GaN i SiC. SiC wydaje się być ulubionym materiałem do ładowarek samochodowych (OBC). Trend ten niewątpliwie będzie się utrzymywał w miarę odkrywania przez inżynierów coraz to nowszych urządzeń i zdobywania doświadczenia w ich obsłudze.

Zastosowania motoryzacyjne

Wiele obwodów mocy i urządzeń do zastosowań motoryzacyjnych można ulepszyć dzięki projektowaniu GaN i SiC. Jednym z największych beneficjentów są samochodowe systemy elektryczne. Nowoczesne pojazdy hybrydowe i czysto elektryczne zawierają urządzenia, które mogą korzystać z tych urządzeń. Niektóre z tych popularnych zastosowań to OBC, przetwornice DC-DC, sterowniki silników i radar laserowy (LiDAR).

Przetwornica DC-DC. Jest to obwód zasilania, który przekształca wysokie napięcie akumulatora na niższe napięcie w celu zasilania innych urządzeń elektrycznych. Aktualny zakres napięcia akumulatora wynosi aż 600 lub 900 woltów. Przetwornica DC-DC zmniejsza je do 48 woltów lub 12 woltów, lub obu, w celu działania innych elementów elektronicznych. W hybrydowych pojazdach elektrycznych i pojazdach elektrycznych (HEVEV) DC-DC może być również stosowany jako magistrala wysokiego napięcia między zestawem akumulatorów a falownikiem.

Ładowarka samochodowa (OBC). Pojazdy HEVEV i EV typu plug-in są wyposażone w wewnętrzną ładowarkę akumulatora, którą można podłączyć do źródła prądu przemiennego. Umożliwia to ładowanie w domu bez konieczności stosowania zewnętrznej ładowarki AC-DC.

Główny sterownik silnika napędowego. Głównym silnikiem napędowym jest silnik prądu przemiennego o dużej mocy, który napędza koła pojazdu. Sterownikiem jest falownik, który przekształca napięcie akumulatora na trójfazowy prąd przemienny, aby silnik mógł działać.

LiDAR. LiDAR odnosi się do technologii łączącej metody świetlne i radarowe w celu wykrywania i identyfikacji otaczających obiektów. Skanuje obszar w zakresie 360 ​​stopni za pomocą pulsacyjnego lasera na podczerwień i wykrywa odbite światło. Informacje te przekładają się na szczegółowe, trójwymiarowe obrazy z odległości około 300 metrów i rozdzielczości kilku centymetrów. Wysoka rozdzielczość sprawia, że ​​jest to idealny czujnik do pojazdów, zwłaszcza pojazdów autonomicznych, poprawiający rozpoznawanie pobliskich obiektów. Urządzenia LiDAR działają w zakresie napięcia stałego 12-24 V, które pochodzi z przetwornika DC-DC. Ponieważ tranzystory GaN i SiC charakteryzują się wysokim napięciem, wysokim prądem i szybkim przełączaniem, zapewniają projektantom elektryki samochodowej elastyczne i prostsze konstrukcje oraz doskonałą wydajność.

TECHNOLOGIE FOUNTYL PTE. SP. Z O.O. jest nowoczesnym przedsiębiorstwem w dziedzinie zaawansowanej ceramiki, zajmującej się badaniami i rozwojem, produkcją i sprzedażą jako jednym, produkującym głównie porowatą ceramikę, tlenek glinu, tlenek cyrkonu, azotek krzemu, węglik krzemu, azotek glinu, mikrofalową ceramikę dielektryczną i inne zaawansowane materiały ceramiczne. nasz specjalnie zaproszony japoński ekspert ds. technologii ma ponad 30-letnie doświadczenie w branży półprzewodników, skutecznie dostarcza specjalne rozwiązania ceramiczne charakteryzujące się odpornością na zużycie, odpornością na korozję, odpornością na wysoką temperaturę, wysoką przewodnością cieplną oraz izolacją dla klientów krajowych i zagranicznych.