Каждый новый этап в развитии силовой электроники обычно сопровождается сменой материала, из которого изготавливаются полупроводниковые приборы. Начиналось все с селена, но он позволял делать только самые простые устройства — диоды. Далее наступила эпоха господства германия, уже стало реальностью изготавливать из него трехэлектродные устройства — транзисторы. Они были маломощными, достаточно было постоять устройству на их основе, например, на открытом пространстве под солнечными лучами, и параметры оборудования резко менялись.
Для электроэнергетики это неприемлемо. Переход в середине 60-х годов на кремний позволил выпускать по-настоящему мощные диоды, транзисторы и тиристоры, а также микросхемы. Очередная смена материалов для изготовления приборов силовой электроники, свидетелем которому мы сейчас являемся, выводит полупроводниковые устройства на новый уровень. Появляется возможность коммутировать такие токи и напряжения, для которых раньше были пригодны только электромеханические реле.
25 ноября компания BorgWarner из США была удостоена престижной награды CLEPA — Европейской Ассоциации поставщиков автомобилей, в номинации «Инновации для окружающей среды» за инвертер Viper для электромобилей. Отличительными чертами этого инвертора являлось то обстоятельство, что он изготовлен на основе полупроводниковых приборов из карбида кремния (SiC). Уровень потерь в нём снижен по сравнению с аналогами на приборах из кремния на 70 %, размеры — на 30 %, а масса — на 40 %. При этом мощность выросла на 25 % и самое главное, рабочее напряжение увеличено с 400 до 800 В. По мнению специалистов, повышение рабочего напряжения аккумуляторной батареи в электромобиле с 400 до 800 В позволяет значительно повысить КПД и ходовые качества транспорта. Однако собранное на прежней элементной базе оборудование на напряжение 800 В было слишком громоздким и поэтому применялось в электробусах и электрических грузовиках, но никак не в легковых электромобилях. Создание компактного инвертера на карбиде кремния открывает возможности к переходу на напряжение 800 В и в таком транспорте.
Присуждение награды CLEPA эффектно венчало череду событий по триумфальному наступлению технологии SiC, которое шло весь 2020 г. Но по-настоящему о смене эпох в силовой электронике можно было говорить только в ноябре 2020 г., когда не только указанная награда, но и некоторые другие события окончательно расставили точки над «i». Но прежде чем рассказать об этих событиях, напомним читателям о том, что такое карбид кремния и в чем его основные отличия от других материалов, используемых в электронике.
Коротко о материале
Карбид кремния (иначе именуемый карборунд) — это соединение кремния с углеродом. В природе оно встречается очень редко, как правило, его синтезируют. Карборунд является третьим по твердости веществом на Земле, поэтому с конца XIX века и до сегодняшнего дня его применяют для изготовления шлифовального инструмента и оборудования в качестве абразива.
В 20-х годах XX века делаются первые попытки использовать SiC в качестве полупроводника. В частности, первый в мире светодиод, который в 1927 г. создал советский физик Олег Лосев, был изготовлен из карборунда.
В 60-е годы из SiC стали делать так называемые варисторы — устройства, которые быстро меняли свое сопротивление до минимального значения при действии мощной импульсной помехи. Такие устройства защищают аппаратуру от помех в линиях связи и электропитания.
Карбид кремния обладает замечательными свойствами именно для силовой электроники. Его атомы имеют более прочную связь друг с другом по сравнению с другими полупроводниками. Благодаря этому кристалл карбида кремния можно безопасно нагреть до +175 ºC без потери работоспособности (у кремния этот предел составляет +125 ºC). При этом высокая теплопроводность карбида кремния позволяет без проблем организовать эффективный отвод тепла от кристалла.
Сопротивление MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния в состоянии «закрыто» у лучших образцов достигает 1000 МОм против максимального значения данного параметра на уровне 15 МОм у кремниевых MOSFET-транзисторов. С практической точки зрения такое сопротивление можно считать бесконечно большим. Благодаря этому транзистор на основе карбида кремния может заменить механические контакты в энергетике. Максимальное рабочее напряжение для кремниевого транзистора составляет 1700 В. Рекорд для транзистора на карбиде кремния составляет 15000 В. Это позволяет напрямую использовать транзистор для управления средневольтовыми распределительными сетями с напряжением до 10 кВ. Наконец, SiC элементы обладают высоким быстродействием, что позволяет повысить рабочую частоту инвертеров с десятков кГц до более чем 100 кГц, что приводит к уменьшению размеров дросселей и трансформаторов.
Долгое время использование карбида кремния в электронике сдерживалось сложностью его обработки из-за высокой твердости, но сейчас эта проблема решена.
Вопреки трудностям
Пару лет тому назад прогнозировалось, что рынок приборов на SiC в 2021 г. достигнет 1 млрд долл. во всем мире. Тем не менее, в ноябре маркетинговое агентство ReportLinker. com выпустила отчет, в котором сообщила, что, скорее всего, по итогам этого года объем данного рынка только в США составит уже 1 млрд долл. Данных по всему миру у агентства пока нет. И это в условиях всем известных трудностей в мировой экономике!
Активность наблюдается и по другую сторону Атлантического океана. Известный немецкий производитель силовой электроники Infineon Technilogies заключил 5-летнее соглашение с американской компанией Hudson на поставку пластин из карбида кремния для производства приборов серии CoolSiC. Причина заключения соглашения на столь длительный срок объясняется тем, что Infineon Technologies всерьез боится уже в ближайшем будущем роста цен и даже дефицита на пластины из карбида кремния на мировых рынках. Что можно спрогнозировать из-за роста данного сегмента даже в нынешнее непростое время.
Массовое производство транзисторов, диодов и микросхем на основе SiC требует по-новому подойти к их тестированию. Дело в том, что данные приборы применяются, как правило, в отраслях, где от их исправности зависит безопасность людей (энергетика, электромобили). Данное обстоятельство требует обязательного тестирования каждого полупроводникового прибора на возможность работы при повышенной температуре, что является дорогостоящим мероприятием. Проблему решила американская компания Aehr Test System, создавшая технология FOX-P, позволяющую протестировать одновременно все электронные приборы на нескольких SiC-пластинах еще до их разрезания и корпусирования.
Испытания проводятся при температуре +150 ºC. Преимуществом данного подхода является возможность полной автоматизации процесса тестирования. Кроме этого, некачественные чипы выбраковываются еще до корпусирования. Соответственно, не расходуются лишние ресурсы на корпусирование электронных компонентов, которые потом будут выбракованы. Все это позволит уменьшить стоимость и нарастить объемы выпуска приборов на карбиде кремния. Презентация первой установки на основе FOX-P прошла в ноябре. Согласно требованиям времени, она была полностью виртуальной.
В американском штате Нью-Йорк в ноябре не побоялись провести церемонию закладки нового завода SiC-пластин компании Cree (бренд Wolfspeed), но, естественно, с соблюдениями всех мер предосторожности. На церемонию даже прибыл губернатор штата. Завод будет построен на территории кампуса политехнического института SUNY, расположенном в городе Утика. Планируется, что завод даст первую продукцию уже в 2022 г. Строительство предприятия осуществляется в рамках государственно-частного партнерства. Cree вкладывает в проект 1 млрд долл., еще 0,5 млрд вкладывают власти штата Нью-Йорк через подконтрольный штату инвестиционный фонд. Также предприятию будут предоставлены налоговые льготы на уровне штата, их общая сумма составит 1 млн долл. Участие правительства штата здесь не случайно — в результате будут созданы 600 новых рабочих мест, а студенты и выпускники института получат возможность стажироваться на этом заводе. Напомним, что компания Cree летом этого года продала свое знаменитое светодиодное подразделение, чтобы вложить средства в производство SiC компонентов под своим новым брендом Wolfspeed.
От третьего поколения — к четвертому
С середины 2000-х годов, когда было начато серийное производство SiC-транзисторов, сменилось несколько поколений таких полупроводниковых приборов. Выпускаемые сейчас массово SiC-транзисторы относятся к третьему поколению. Основной недостаток, который присутствует у всех трех поколений, — двухполярное управление транзистором. Если кремниевый транзистор управляется очень просто — подаем положительное напряжение (как правило, порог открытия составляет около 1,5 В) на затвор, транзистор открылся, течет ток через канал. Уменьшили до «нуля» — закрылся, ток через канал не течет. SiС-транзистору нужно было подавать на затвор около −5 В для закрытия и около +25 В для открытия. Это являлось большой проблемой, так как требовало более сложного источника питания, а также специального драйвера, который стоил подчас дороже самого транзистора.
К концу ноября американская компания UnitedSiC совершила настоящий прорыв, начав серийное производство MOSFET-транзисторов на карбиде кремния, относящихся к четвертому поколению. Главная особенность таких транзисторов — они управляются однополярным напряжением: +12 В — «открыто», 0 В — «закрыто». Но что важно — сохранена преемственность с уже установленными драйверами, т. е. если заменить в устройстве транзистор третьего поколения на транзистор четвертого поколения, то драйвер −5 В/+25 В также сможет работать с новым транзистором. Ну а устройства, спроектированные изначально под четвертое поколение, будут иметь гораздо более простую и дешевую конструкцию.
Первые образцы транзисторов четвертого поколения имеют рабочее напряжение 750 В и максимальный ток 60 А. Вполне возможно, что новое поколение SiC-компонентов придет и в бытовую технику благодаря простоте применения.
Перспективы
Основные области применения полупроводниковых приборов на SiC в настоящее время — электротранспорт и, конечно, альтернативная энергетика, где необходимы мощные инверторы. Тем не менее, наиболее перспективным является применение такого полупроводника в... традиционной углеродной энергетике. Транзисторы и диоды Шоттки на основе SiC могут найти применение в частотно-регулируемых приводах.
Такие приводы используются на транспорте и даже в обычных лифтах, но вот в нефтегазовой отрасли, где они способны принести огромную выгоду (насосы, бурильные установки), их применение пока ограничивается многими факторами, в том числе и суровыми климатическими условиями. Частотно-регулируемые приводы на основе SiC компонентов, над созданием которых сейчас трудятся ученые и инженеры, позволят в любом климате обеспечить надежную работу таких приводов.
Автор: Алексей Васильев
