Силовая электроника быстро развивается
благодаря полупроводникам с широкой запрещенной зоной. Аналитики рынка оценивают рост
производства компонентов питания более чем в 10 миллиардов долларов в течение следующих 6 лет. Это значительный
рост, если анализировать его в контексте гибридных и электромобилей, а также
необходимости разумного управления мировой энергетикой с помощью экологических решений, таких как солнечная энергия.

Использование этих
материалов с широкой запрещенной зоной является дальнейшим шагом на пути к повышению энергоэффективности силовых
устройств при одновременном обеспечении решений с меньшими форм-факторами и меньшими затратами
по сравнению с кремнием. Потребуются дальнейшие программы исследований и разработок для повышения
производительности, безопасности и возможностей утилизации аккумуляторов для
электронной мобильности.

Путь развития новой силовой электроники будет сосредоточен на GaN (нитрид галлия) и SiC (карбид кремния) материалы, которые переопределяют энергетические конструкции во многих промышленных приложениях, включая центры обработки данных и возобновляемые источники энергии. Перспективы значительного роста GaN и устройств SiC высоки, чему способствуют растущие продажи подключаемых гибридных и электромобилей, в которых в основном будут использоваться устройства SiC.

То на конференции присутствовали многие компании с экспертами из различных секторов, которые обсудили последние результаты и предстоящие задачи проектирования — два дня изучения тем новой силовой электроники.

SiC и GaN

Устройства электропитания приобретают
все большее значение по
мере ужесточения стандартов энергоэффективности для удовлетворения растущего спроса на промышленное применение.
Производители полупроводников по всему миру отреагировали новыми технологиями проектирования
подложек для пластин, чтобы улучшить упаковку.

Нитрид галлия (GaN) и кремний
Карбид (SiC) — это два полупроводниковых элемента, используемых для повышения
эффективности энергоснабжения. Внедрение GaN происходило медленно из-за проблем с затратами, производительностью и
надежностью. Благодаря высокой электронной подвижности пьезоэлектрических
полупроводников он способен переключаться с более высокими скоростями, чем SiC или Si.
Однако теплопроводность является пределом для высоких напряжений. В настоящее время
устройства SiC обычно используются примерно от 650 В до 1,2 кВ и выше, в то время как GaN
ограничен примерно 650 В.

GaN часто является эталонным продуктом
для передовых радиочастотных и лидарных систем в автомобилестроении и робототехнике, а также в
беспроводной связи. Поставщики GaN также ориентированы на рынки низкого напряжения и мощности,
которые включают центры обработки данных, электромобили и фотоэлектрические системы.

GaN обладает изначально
превосходными свойствами при установке в импульсный источник питания, он выводит
эффективность источника питания на более высокий уровень, чем это было возможно ранее. С
точки зрения конечного пользователя, это экономит энергию, снижает эксплуатационные расходы и
уменьшает количество углерода, выбрасываемого в атмосферу. Применение, которое
в наибольшей степени использует внутренние преимущества GaN, — это импульсный источник
питания.

Карбид кремния (SiC)
— это полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной, который будет определять уровень мощности в нескольких
приложениях, таких как электронная мобильность, для получения энергии и затрат на получение
высокоэффективных устройств высокой мощности.

SiC имеет запрещенную зону 3,2 электрон
-вольта (эВ). Энергия, необходимая для перемещения электронов в зоне проводимости
, обеспечивает более высокие характеристики по напряжению, чем у кремния того же масштаба упаковки.

Кроме того, SiC может выдерживать более высокие
температуры и обладает теплопроводностью, которая примерно в 3,5 раза лучше
, чем у Si, что позволяет поддерживать работу при высоких температурах с высоким напряжением и
мощностью.

Ощутимое различие между SiC и GaN заключается в упаковке; Детали из SiC обычно выпускаются в стилях TO-247 и T0-220. В результате они могут заменить Si MOSFET в существующих проектах. Высокая температура, быстрое переключение и низкие потери устройств WBG делают их хорошими кандидатами для военного применения, где ключевым элементом является производительность.

Магнитный компонент является ключевым фактором в приложениях силовых преобразователей, где
потеря магнитного сердечника требуемых резонансных катушек индуктивности и трансформаторов
составляет большую часть общей потери мощности. Джей Си Сан из BS&T представил важные
новые соображения для будущего магнитного дизайна во время конференции. Проектирование
силовых магнитных компонентов является ключевым навыком для энергосистем с
требованиями к высокой эффективности. Чрезвычайно нелинейное поведение магнитных
материалов и компонентов, обернутых проволокой, должно быть обеспечено путем моделирования и
измерений.

Новые типы транзисторов, изготовленные из инновационных полупроводников, таких как карбид кремния (SiC) или нитрид галлия (GaN), в настоящее время очень востребованы при создании систем питания для автомобильной промышленности и альтернативной энергетики. Учитывая более высокие уровни напряжения и тока, даже тестовые системы, используемые для их характеристики, являются более сложными и критичными для внедрения, так что надежность измерений и безопасность операторов могут быть гарантированы. Программное обеспечение для моделирования, используемое на концептуальном этапе, должно предоставлять общие модели для всех типов электрических компонентов, встречающихся в приложениях силовой электроники. Поскольку силовые полупроводники обычно работают в режиме переключения, их следует моделировать как идеальные переключатели, чтобы уменьшить сложность имитационной модели. Пользователь должен иметь возможность свободно подключать произвольные компоненты и создавать свои собственные настроенные компоненты с помощью подсистем. В приложениях силовой электроники разработка элементов управления часто требует больше усилий, чем проектирование силового каскада, особенно если используется микроконтроллер. Plexim предоставляет программное обеспечение для моделирования систем силовой электроники. PLECS от Plexim позволяет заказчикам ускорить разработку продукта и внедрение инноваций при одновременном сокращении времени и затрат на проектирование.

Переговоры и компании

Конференцию открыл Юрген Шудерер из ABB, рассказав о внедрении
технологии WBG в автомобильном секторе. В следующем (ближайшем) будущем
для инверторов с машинной интеграцией потребуются новые конструкции полупроводниковых модулей и
оптимизация всей системы силового агрегата.

Ануп Бхалла из UnitedSiC представил новые решения SIC со сверхнизким R_DS(вкл.), устройства напряжением 1200 В в комплектации TO247 и SOT-227. Это новое семейство значительно снижает потери на проводимость благодаря превосходным тепловым характеристикам. Кроме того, эти устройства улучшат производительность твердотельных выключателей постоянного тока и блоков распределения питания. Основным преимуществом SiC MOSFET является низкое сопротивление включения от стока к источнику (R_DS(вкл.)) — примерно в 300-400 раз ниже, чем у кремниевых устройств с сопоставимым напряжением пробоя.

На рынке GaN, Infineon с
Тим Макдональд представил свои последние инновации в области CoolGaN. CoolGaN
обеспечивает высокую эффективность даже при высоких частотах переключения, что позволяет дополнительно
уменьшить габариты и вес силовых преобразователей. CoolGaN позволяет удвоить
выходную мощность при заданном размере гнезда для хранения энергии, освобождая пространство
и в то же время достигая большей эффективности. Другая технология
CoolSiC, представленная на конференции, предлагает высокую плотность тока и
конструкцию с низкой индуктивностью, обеспечивающую низкие потери на переключение и проводимость.

Алекс Лидоу, генеральный директор EPC, в своей
презентации сосредоточился на решениях FET на основе нитрида галлия на кремнии (eGaN®) в качестве
заменителей силовых MOSFET в основных приложениях, таких как преобразователи постоянного тока,
беспроводное питание и радиочастотная передача.
Устройства GaN с возможностью переключения более высокой частоты обеспечивают возможность повышения эффективности во
многих существующих системах электропитания, а с
2018 года, когда в продаже появятся силовые транзисторы из нитрида галлия, отвечающие требованиям стандарта AEC Q101, появится волна
конструкций, использующих эту относительно новую технологию в автомобилестроении.

Другими
интересными компаниями, представившими свои исследования и новейшие разработки в
области GaN и Sic, были ROHM Semiconductor, Texas Instruments,
Microchip, Power Integrations, Pre-Switch, Mitsubishi, GaN Systems, Littelfuse,
Wolfspeed, Tamura (рис. 1,2 и 3).

ON Semiconductors обсудила свою работу над SiC, которая привела к созданию широкого ассортимента технологических платформ для диодов и MOSFET с диапазонами напряжений 650-1700 В.

Игнасио Лизама из ROHM описал линейку устройств SiC MOSFET с более высокой скоростью переключения. ROHM считает, что силовые устройства SiC способствуют повышению эффективности автомобильных энергосистем. Использование устройств SiC power на рынке электронной мобильности расширяется благодаря новым системам быстрой зарядки, таким как встроенные зарядные устройства или автономная зарядка постоянным током.

Подход GaN Systems к новому поколению силовых транзисторов GaN приводит к изменению энергопотребления между системами питания, о чем говорили Тони Эстли и Питер Ди Мазо. Полумостовое решение для термомонтажа на изолированной металлической подложке (IMS) от GaN Systems обеспечивает гибкость конструкции и масштабируемость благодаря трем конфигурациям уровня мощности до 1,5 кВт (GS66504B), 3 кВт (GS66508B) и 6 кВт (GS66516B). Силовые транзисторы GaN также представляют собой ключевой элемент в конструкции следующего поколения высокоэффективных электроприводов, о чем сообщает Texas Instruments.

Интеграция питания показала, что
более мощные
микросхемы семейства микросхем обратного преобразования InnoSwitch и светодиодных драйверов LYTSwitch основаны на собственной
технологии GaN компании – и уже были приняты производителями адаптеров USB-PD
для ноутбуков и мобильных телефонов.

Сила
Компания Integrations выделила самые мощные элементы в своем семействе
обратных преобразователей InnoSwitch и драйверов IC LED LYTSwitch с помощью
Технология GaN. Многие производители мощных адаптеров USB-PD для ноутбуков
и мобильных телефонов внедрили эту технологию для
конфигураций цепей питания.

Жесткая коммутация
обычно используется в преобразователях постоянного / переменного тока, но может привести к потерям при переключении
, которые ответственны за большой процент потерь преобразователя мощности.
На конференции Pre-Switch обсуждались новые решения, использующие искусственный интеллект для
минимизации потерь при переключении и позволяющие пользователям использовать весь
потенциал своих транзисторов, независимо от технологии FET.

Компания Navitas
представила свои новейшие микросхемы питания GaNFast™, обеспечивающие высокочастотную и
высокоэффективную коммутацию в надежном и простом в использовании монолитно интегрированном формате “цифровой ввод, отключение
питания”.

Вывод

Очевидно,
что следует учитывать стоимость: самой большой проблемой является широкое
внедрение устройств SiC и GaN. Электрические характеристики показывают, как они
могут привести к значительному снижению затрат на систему, но, прежде всего, к реальному
повышению общей эффективности. Электрические транспортные средства и автомобили без водителя с бортовыми
зарядными устройствами и тяговыми инверторами являются основными кандидатами на
использование полупроводников SiC. Прогресс должен основываться на новых подложках для SiC и GaN,
а также на новой схеме компоновки для повышения производительности конечных компонентов
, таких как Mosfet, диод.