Поскольку мир сталкивается с изменением климата и геополитической неопределённостью, инновационные технологии появляются и выходят на рынок, вызывая значительные изменения во всей энергетической отрасли. В полупроводниковом ландшафте силовая электроника играет важную роль, обеспечивая переход к более эффективным и устойчивым энергетическим системам. Сейчас в области полупроводников силовой электроники есть два основных игрока. Широкозонные полупроводники (так называемые материалы WBG) сейчас используются в данной технологии чаще всего. Нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) обладают высокой способностью выдерживать высокие температуры и напряжения с необходимой частотой переключения. Обладая явными преимуществами по сравнению с обычными полупроводниковыми устройствами на основе кремния, WBG обеспечивают повышенную эффективность и плотность мощности, что позволяет создавать более компактные системы и снижать вес, а также многие другие преимущества в различных устройствах для преобразования энергии. Пока мир делает первые шаги в использовании этих новых материалов, расширение использования и производства этих полупроводников имеет решающее значение для развития человечества.
Новейшие разработки преодолевают ограничения традиционного кремния, позволяя создавать более эффективные и компактные устройства. Переход на SiC и GaN знаменует собой значительное улучшение использования энергии, особенно в передовых сферах применения. GaN широко применяется в центрах обработки данных и вычислительной технике, снижая потребление энергии и выработку тепла, поддерживая инфраструктуру, управляемую искусственным интеллектом. Это химическое соединение улучшает преобразование энергии в аккумуляторных системах автомобилей и электромобилей, позволяя увеличивать дальность пробега, а также играет важную роль в системах LiDAR для автономного вождения.
Технологии силовой электроники на основе нитрида галлия, по сути, ещё не полностью зрелые, но проводимые исследования и разработки позволяют улучшить качество материалов, конструкцию устройств и методы упаковки для повышения надёжности и среднего срока службы компонентов. Подложка SiC уже заняла доминирующее положение в различных силовых цепях в электромобилях с дополнительным применением в фотоэлектрических установках, промышленных источниках питания, испытательном оборудовании, в системах управления для электрических индукционных двигателей с номинальной мощностью от 0,12 кВт до 1000 кВт. Многие крупномасштабные проекты находятся в различной стадии реализации: от летательных аппаратов и самолётов на электрической энергии, до электрических катеров и подводных лодок. Спектр применения данного материала, которые, вероятно, начнут его использовать в среднесрочной и долгосрочной перспективе, включает в себя железнодорожные тяговые инверторы, ветрогенераторы, твердотельные выключатели и высоковольтные индукционные генераторы для индукционного нагрева и сварки.
Полупроводники WBG обеспечивают исключительную производительность: меньшие потери энергии, большую теплостойкость и работу в суровых условиях. По сравнению с традиционными кремниевыми МОП-транзисторами, устройства WBG могут работать на более высоких скоростях и в меньших пространствах, что делает их идеальными для приложений с высокой мощностью и сокращения времени зарядки аккумуляторов. Несмотря на высокую стоимость, их предпочитают из-за надёжности, сопротивления и доступности в стандартных и уменьшенных форм-факторах корпусов.
Нитрид галлия доминирует в низких и средних частях спектра мощности с применениями, требующими высоких частот переключения, такими как низковольтные источники питания, аудиооборудование и другие мобильные и потребительские устройства. Существуют совпадения между областями применения GaN и SiC, например, в автомобильных двунаправленных бортовых зарядных устройствах. Основные преимущества таких полупроводников часто позволяет реализовать более простую топологию схемы (например, двухуровневую по сравнению с трёхуровневой конструкцией) и более высокие частоты переключения, учитывая, что устройство оптимизировано с более высоким пробивным напряжением приток-исток.
Но разработка драйверов затворов (усилителей управляющего сигнала) для устройств SiC и GaN остаётся сложной задачей, требующей высоких напряжений на затворе и точного контроля для оптимизации времени переключения. В настоящее время использование этих материалов представляет собой важный шаг в современной электронике, позволяющий реализовать более надёжные и эффективные системы с областями применения от транспорта до военной промышленности, от беспроводной зарядки до почти нульмерных преобразователей мощности.
Их внедрение в энергосистемах растёт экспоненциально, и задействовано множество секторов, в первую очередь автомобильный. Одна из основных проблем, которые можно обнаружить в устройствах SiC, связана с тем, что оксид затвора становится все тоньше при длительном использовании. Этот дефект может напрямую вызывать серьёзные отказы устройств. Их внедрение будет продолжать стимулировать инновации и оптимизацию энергосистем.
Они часто используются в мощных мостовых схемах, таких как те, которые используются в инверторах, аудиоусилителях класса D и других подобных. Устойчивость к коротким замыканиям и перенапряжениям является важнейшим аспектом стабильности в работе этих решений. Сокращение потерь при преобразовании энергии приводит к созданию более эффективных систем. Благодаря превосходной теплопроводности и высоким частотам переключения, потери мощности снижаются, и выделяется меньше тепла. С другой стороны, SiC может выдерживать условия лавинного напряжения, особенно при индуктивных нагрузках для таких компонентов управления питанием, как солнечные инверторы и зарядные устройства для аккумуляторов. Он имеет более строгие требования к защите от короткого замыкания и требует надёжной схемы защиты.
Несмотря на то, что силовые устройства WBG дороже кремниевых, многочисленные преимущества мощности подложек могут снизить общую стоимость системы с меньшим временем проектирования, выделенным на сложные архитектуры питания и управление температурой. Но для полного эффективного использования устройств WBG необходимо полностью перепроектировать систему для оптимизации на уровне устройства, принципиальной электронной схемы и системных характеристик. Драйверы затвора GaN также играют ключевую роль в достижении баланса между поддержанием быстрого отклика на включение без возникновения опасных перенапряжений. Другие характеристики, такие как управление тепловым режимом, особенности компоновки и электромагнитные помехи, будут различаться в зависимости от используемой технологии WBG.
Чтобы лучше всего проверить эти возможности, проектировщики могут использовать оценочные платы, которые содержат два, четыре или восемь устройств параллельно. В идеале это должны быть одни и те же модели. К платам можно добавить внешний индуктор, чтобы добавить индуктивное поведение в систему, и платы можно использовать для тестирования понижения и повышения с очень высокими токами и мощностями. При хороших электронных конфигурациях и драйверах затворов устройства GaN можно использовать параллельно с относительной лёгкостью. Самая большая проблема (она же является теми новыми возможностями, которые ранее были невозможны с кремниевыми технологиями) — повышенная мощность и частоты переключения. Кроме того, путём проектирования хороших макетов печатных плат со специальными индукторами и хорошим балансом токов между МОП-транзисторами деструктивные колебания сводятся к минимуму. Чтобы раскрыть все преимущества технологии WBG в силовых цепях, важно рассматривать систему в целом. Это подразумевает более глубокий взгляд на основные компоненты, такие как драйверы затворов, пассивные компоненты и управление температурой.
