Povpraševanje po tehnologiji silicijevega karbida (SiC) še vedno narašča, saj ta povečuje učinkovitost današnjih elektroenergetskih sistemov, hkrati pa zmanjšuje njihovo velikost, težo in ceno. Vendar pa SiC rešitve niso nadomestek za silicijeve komponente in tudi niso izdelane enako.
Da bi uresničili tisto, kar obljublja SiC tehnologija, morajo razvijalci natančno oceniti zmožnosti the izdelkov in njihovih dobaviteljev, ki temeljijo na kakovosti, zanesljivi dobavi in tehnični podpori, ter razumeti, kako optimizirati integracijo the SiC komponent v njihove končne sisteme.
Naraščajoča uporaba
Sprejetje SiC tehnologije strmo narašča. Razpoložljivost izdelkov se je povečala skupaj s široko izbiro večjega števila različnih dobaviteljev komponent. Trg se je v zadnjih treh letih podvojil, v naslednjih 10 letih pa naj bi se v povečal na več kot 10 milijard USD. Sprejetje te tehnologije širi uporabo iz hibridnih in električnih vozil (H/EV) na neavtomobilske sisteme za nadzor moči in motorjev v vlakih, težkih vozilih, industrijski opremi in EV polnilni infrastrukturi. Dobavitelji komponent za letalsko industrijo in vesoljske programe in obrambni sektor si prav tako prizadevajo za kakovost in zanesljivost SiC, da bi zadostili obstoječim strogim zahtevam teh sektorjev po robustnosti komponent.
Ključni del SiC razvojnega programa je potrditev zanesljivosti in robustnosti SiC naprav, saj se ta med različnimi dobavitelji močno razlikuje. Ob naraščajočem trendu popolne osredotočenosti sistema morajo oblikovalci oceniti tudi obseg ponudbe dobaviteljevih izdelkov. Pomembno je, da oblikovalci sodelujejo z dobavitelji, ki ponujajo prilagodljive rešitve, kot so matrice, diskretne možnosti in možnosti modulov, ki jih podpirajo globalna orodja za distribucijo, podporo in celovita orodja za simulacijo in razvoj. Razvijalci, ki želijo, da bodo njihovi načrti odporni na prihodnost, bodo morali raziskati tudi najnovejše zmogljivosti, kot so digitalni programabilni gonilniki vrat, ki rešujejo začetne težave glede izvedbe, hkrati pa omogočajo “uglaševanje” zmogljivosti sistema s pritiskom na tipko.
Prvi korak: trije ključni testi
Trio testov zagotavlja potrebne podatke za oceno zanesljivosti neke SiC komponente: sposobnost v zvezi z lavinskim efektom, sposobnost odpornosti na kratke stike in zanesljivost delovanja vgrajene zaščitne diode v SiC MOSFET.
Primerna sposobnost obvladovanja lavinskega efekta je pri tem ključnega pomena: tudi manjša okvara na pasivnem sistemu lahko povzroči prehodne napetostne konice, ki presegajo nazivno prebojno napetost komponente, kar na koncu povzroči okvaro komponente ali celo okvaro celotnega sistema. SiC MOSFET-i z ustrezno lavinsko zmogljivostjo zmanjšajo potrebo po dodatnih zaščitnih vezjih in podaljšujejo življenjsko dobo aplikacije. Najbolje ocenjeni izbrani izdelki dokazujejo visoko UIS zmogljivost do 25 Joulov na kvadratni centimeter (J / cm2). Te komponente kažejo le minimalne spremembe parametrov tudi po 100.000 ciklih ponavljajočega se UIS (RUIS) testiranja.
Drugi ključni preizkus je čas vzdržljivosti na kratek stik (SCWT) ali najdaljši čas do okvare komponente v stanju kratkega stika na priključnih sponkah. Rezultat bi moral biti blizu rezultatom IGBT-jev, ki se uporabljajo v aplikacijah za napajalne pretvornike, od katerih ima večina SCWT čas od 5 do 10 mikrosekund. Zagotavljanje primerno dolgega SCWT časa sistemom omogoča servisiranje tovrstnih napak brez poškodb sistema.
Tretje ključno merilo je napetostna stabilnost vgrajene zaščitne diode SiC MOSFET-a. Ta se od enega do drugega proizvajalca zelo razlikuje. Brez ustreznega načrtovanja komponente, ustrezne obdelave in izbranih materialov se lahko prevodnost te diode med delovanjem poslabša, kar povzroči povečanje njene upornosti v stanju v stanju prevajanja (RDSon). Slika 1 pojasnjuje obstoječe razlike. V študiji, ki jo je izvedla državna univerza Ohio, so bili ocenjeni MOSFET-i treh dobaviteljev. Na koncu so rezultati vseh komponent dobavitelja B pokazali poslabšanje v stanju prevajanja, na drugi strani pa vidimo tudi rezultate MOSFET-ov dobavitelja C, ki so ostali nespremenjeni.
Ko je zanesljivost komponent potrjena, je naslednji korak vrednotenje ekosistema, ki spada k tem komponentam, vključno z raznolikostjo možnosti uporabe izdelka, zanesljivostjo oskrbovalne verige in podporo pri načrtovanju.
Dobava, podpora in načrtovanje na nivoju sistema
V vedno večjem številu proizvajalcev in ponudnikov SiC komponent se te v današnjem času lahko poleg izkušenj in infrastrukture za podporo in oskrbo razlikujejo po možnostih, ki jih ponujajo te SiC komponente za najzahtevnejše trge, kot so avtomobilska, vesoljska ter obrambna industrija.
Zasnove močnostnih sistemov se skozi čas nenehno izboljšujejo in znotraj različnih generacij te zasnove. SiC aplikacije se ne razlikujejo. Zgodnje generacije modelov lahko uporabljajo široko dostopne in standardne diskretne izdelke za napajanje v zelo standardnih možnostih THT ohišij ali ohišij za površinsko montažo. Ko število aplikacij narašča in se oblikovalci osredotočajo na zmanjševanje velikosti, teže in stroškov, svoje načrte običajno premaknejo na integrirane napajalne module ali pa izberejo tristransko partnerstvo. Ta tristranska partnerstva vključujejo skupino za oblikovanje končnih izdelkov, proizvajalca modulov in dobavitelja SiC rezine. Vsak igra ključno vlogo pri doseganju splošnih ciljev oblikovanja.
Vprašanja dobavne verige so ključna in upravičena skrb na hitro rastočem SiC trgu. SiC material za substrat je večinoma drag material v proizvodnem toku SiC rezine. Poleg tega za izdelavo SiC potrebujemo visokotemperaturno opremo za izdelavo, ki ni potrebna za razvoj silicijevih izdelkov in elektronskih vezij. Oblikovalci morajo zagotoviti, da imajo dobavitelji SiC močan model dobavne verige, ki vključuje več proizvodnih
lokacij v primeru naravnih nesreč ali večjih težav s proizvodnjo, da lahko ponudba vedno ustreza povpraševanju. Številni dobavitelji komponent tudi zaradi zastarele (EOL) generacije naprav prisilijo oblikovalce, da porabijo čas in sredstva za prenovo obstoječe aplikacije, namesto da bi razvijali nove inovativne zasnove, ki bodo pomagale znižati stroške končnih izdelkov in povečati prihodek.
Prav tako je kritična podpora oblikovanju, vključno s simulacijskimi orodji in referenčnimi načrti, ki pomagajo zmanjšati čas razvojnega cikla. Z rešitvami za obravnavo nadzora in pogona SiC naprav lahko razvijalci raziščejo nove zmogljivosti, kot je razširjeno preklapljanje, da uresničijo celotno vrednost celotnega sistemskega pristopa. Slika 2 prikazuje zasnovo sistema, ki temelji na SIC, z integriranim digitalnim programirljivim gonilnikom vrat, ki še pospeši čas do izdelave in hkrati ustvari nove načine za optimizacijo modelov.
Nove možnosti za optimizacijo oblikovanja
Možnosti digitalnega programabilnega pogona vrat povečajo prednosti SiC s povečanim preklopom. Omogočajo enostavno konfiguracijo časa vklopa / izklopa SiC MOSFET in ravni napetosti tako, da lahko razvijalci pospešijo preklapljanje in povečajo sistemsko učinkovitost, hkrati pa zmanjšajo čas in zapletenost, povezano z razvojem gonilnika vrat. Namesto da ročno spreminjajo tiskano vezje, lahko razvijalci namesto tega s pomočjo programske opreme za konfiguracijo optimizirajo svoje zasnove na osnovi SiC s pritiskom na tipko in jih v prihodnosti zaščitijo, hkrati pa pospešijo čas trženja in povečajo učinkovitost in zaščito pred napakami.
Zgodnji posvojitelji SiC že uresničujejo prednosti v avtomobilskem, industrijskem ter vesoljskem in obrambnem sektorju, saj posvojitev narašča v širših aplikacijah. Uspeh se bo še naprej zanašal na sposobnost preverjanja zanesljivosti in robustnosti SiC naprav. Ko bodo razvijalci sprejeli celostno strategijo rešitev, bodo potrebovali dostop do obsežnih portfeljev, ki jih podpira celovita in zanesljiva globalna dobavna veriga ter vsa potrebna orodja za simulacijo in razvoj. Prav tako bodo imeli nove priložnosti za naložbe, ki so varne za prihodnost, z novimi zmožnostmi programsko nastavljive optimizacije zasnove, ki jo omogoča digitalno programabilno krmiljenje vrat.
Avtor: Orlando Esparza, vodja strateškega marketinga pri Microchipu
2021/296
