Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© beatricee _dreamstime.com Komponenter | 04 maj 2017

Ljus framtid för kraftkomponenter i SiC

FörsÀljningen av komponenter för kraftelektronik i material med brett bandgap sÄsom GaN och SiC spÄs öka de kommande Ären och det Àr bilindustrin som tillsammans med industritillÀmpningar och kraftförsörjning driver pÄ utvecklingen.
Komponenter i kiselkarbid Àr fortfarande dyra med ett europeiskt projekt skall minska kostnaderna genom att vÀxa SiC pÄ kisel. Kina Àr den största marknaden för kraftelektronik och hÀr har ocksÄ den svenska SiC-specialisten Ascatron etablerat ett dotterbolag.
© Ascatron
Kisel har dominerat elektronikmarknaden i Ă„rtionden och har befĂ€st sin position genom stĂ€ndiga förbĂ€ttringar av tillverkningsprocesser och komponentarkitekturer med mera. För kraftelektronik Ă€r kisel dock inget idealt material. IstĂ€llet Ă€r det komponenter som baseras pĂ„ material med brett bandgap sĂ„som galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) som tilldragit sig ett allt större intresse. Det tack vare bĂ€ttre inneboende materialegenskaper som ger lĂ€gre energiförluster, högre drifttemperaturer, högre omkopplingshastigheter och fördelar vid höga spĂ€nningar jĂ€mfört med kisel. TillĂ€mpningarna hittas bland annat inom fordonsbranschen, industri och kraftförsörjning dĂ€r det finns en stor framtida potential för tillvĂ€xt. Generellt dominerar kraftelektronik i kisel fortfarande stort men enligt marknadsundersökningsföretaget IHS prognos frĂ„n i fjol kommer omsĂ€ttningen för komponenter i SiC och GaN tillsammans att passera 1 miljard dollar om 4 Ă„r, och den globala försĂ€ljningen av dessa komponenter kommer att öka frĂ„n 210 miljoner dollar 2015 till 3,7 miljarder dollar 2025. Schottky-dioder i kiselkarbid har funnits att tillgĂ„ i över 10 Ă„r medan komponentkategorier sĂ„som mosfet, jfet och bjt i SiC kommit ut pĂ„ marknaden först pĂ„ senare Ă„r. Nyligen lanserades ocksĂ„ mosfetar i SiC med mĂ€rkspĂ€nningar pĂ„ över 1 700 V. För höga spĂ€nningar dominerar kisel igbt:er men hĂ€r kommer SiC att kunna konkurrera med överlĂ€gsna materialegenskaper vid omkopplingsfrekvenser över 2 kHz. Idag stĂ„r komponenter i GaN endast för 0,15 procent och SiC för knappt 1,6 procent av vĂ€rldsmarknaden för samtliga krafthalvledare. De tre stora spelarna pĂ„ SiC-marknaden Ă€r Wolfspeed, som brutits ut men Ă€gs av Cree, Infineon och Rohm med runt en fjĂ€rdedel vardera. Nytt europeiskt SiC-projekt Dagens SiC-komponenter Ă€r ofta konstruerade i hexagonal kiselkarbid (4H-SiC) men nu har ett nytt EU-finansierat fyraĂ„rigt projekt döpt till Challenge sjösatts. Syftet Ă€r att vĂ€xa kubisk kiselkarbid (3C-SiC) pĂ„ kiselsubstrat utan att det uppstĂ„r en mĂ€ngd defekter i grĂ€nsytan mellan de tvĂ„ materialen. Svenskt deltagande i projektet kommer frĂ„n Linköpings universitet (LiU) och SiC-specialisten Ascatron AB. Kiselkomponenter passar bĂ€st för spĂ€nningar under 100 V och komponenter i 4H-SiC finns idag pĂ„ marknaden för spĂ€nningar pĂ„ 600 V och dĂ€röver men tekniken Ă€r mycket dyrare och har dĂ€rmed problem med att konkurrera med kisel vid lĂ€gre spĂ€nningar. Enligt LiU Ă€r det hĂ€r som kubisk kiselkarbid (3C-SiC) passar in. 3C-SiC Ă€r enligt LiU nĂ€mligen som mest effektivt vid spĂ€nningar mellan 600 till 1 200 V. Materialet Ă€r dessutom kostnadseffektivt att tillverka, kan produceras i stora wafers och ger liten miljöpĂ„verkan. Kan man dessutom anvĂ€nda kisel som substrat kan kostnaderna sĂ€nkas vĂ€sentligt. – Vi har efter mĂ„nga Ă„rs forskning hittat en metod att ta fram kubisk kiselkarbid med fĂ„ defekter och vĂ„rt material ska anvĂ€ndas som referens. I projektet för kraftelektronik behöver kiselkarbiden kunna vĂ€xas pĂ„ exempelvis kisel, men vi tror att utvecklingen kan driva fram andra nischer dĂ€r vĂ„r materialkvalitet har en fördel, sĂ€ger docent Mikael SyvĂ€jĂ€rvi vid Linköpings universitet och deltagare i projektet. Hittills har det uppstĂ„tt defekter i grĂ€nssnittet mellan den kubiska kiseselkarbiden och kislet. NĂ€r vĂ€l forskarna fĂ„tt bukt det hĂ€r kvalitetsproblemet hoppas man kunna fĂ„ fram ett fungerande material som kan anvĂ€ndas för nya kraftkomponenter som kan bidra till att elbilsmotorer blir effektivare och ger mindre vĂ€rmeförluster. Andra tĂ€nkbara tillĂ€mpningar Ă€r luftkonditioneringssystem och frysar. Ascatron satsar pĂ„ komponenter i SiC Kistaföretaget Ascatron Ă€r det enda nordiska företaget som deltar i Challenge och kommer frĂ€mst att utvĂ€rdera resultaten frĂ„n projektet, men för företaget Ă€r tekniken Ă€r inte aktuell att anvĂ€ndas i produkter förrĂ€n om tidigast 5 Ă„r.
Christian Vieider Foto: © Jonas Karlsson
Ascatron grundades 2011 som en avknoppning frĂ„n forskningsinstitutet Acreo och 2012 var fyra personer verksamma i företaget, men nu har bolaget vuxit till att ha tolv personer anstĂ€llda. FrĂ„n början var bolaget inriktat pĂ„ att skapa epitaxistrukturer i SiC men har allt mer tagit ett steg upp i nĂ€ringskedjan och utvecklar numera komponenter i 4H-SiC, frĂ€mst för riktigt höga mĂ€rkspĂ€nningar pĂ„ 3,3 kV och dĂ€röver. Ascatron sĂ€ger sig Ă€ven fĂ„tt positiv respons pĂ„ mer lĂ„gspĂ€nda komponenter frĂ„n olika kunder (1200 V) och tittar nu Ă€ven pĂ„ möjligheterna hĂ€r eftersom volymerna Ă€r större hĂ€r. I slutet av förra Ă„ret avslutade företaget ocksĂ„ en finansieringsrunda som startades 2015 pĂ„ cirka 4 miljoner euro dĂ€r hĂ€lften av pengarna gĂ„r till en epitaxireaktor och andra hĂ€lften till utveckling av komponenter. Sett till vĂ€rldsmarknaden för kraftelektronik Ă€r Kina absolut störst. De stĂ„r för nĂ€stan 40 procent av vĂ€rldsmarknaden, vilket kan jĂ€mföras med Americas som har en marknadsandel pĂ„ endast 8 procent. – Kina Ă€r vĂ„r absolut största marknad och vi har Ă€ven startat ett dotterbolag dĂ€r, sĂ€ger Ascatrons vd Christian Vieider till Evertiq. De SiC-wafers som Ascatron anvĂ€nder för att vĂ€xa sina strukturer pĂ„ finns idag som 6-tumsskivor och det Ă€r relativt nyligen som dessa kom ut pĂ„ marknaden. Förr fanns det stora problem med hĂ„l som gick rakt igenom materialet men kvaliteten förbĂ€ttras kontinuerligt. Dock Ă€r priset ett hinder. – Inköpspriset för en 6-tumsskiva i SiC ligger idag pĂ„ drygt 10 000 kronor, vilket kan jĂ€mföras med en kiselskiva som kostar runt 100 kronor. Kvaliteten pĂ„ kiselkarbidskivorna förbĂ€ttras stĂ€ndigt och det gĂ„r idag att ta fram relativt stora chip som mĂ€ter 5 x 5 mm med ett hyfsat bra utbyte (yield) pĂ„ över 80 procent. Det Ă€r först nu som kvaliteten pĂ„ materialet Ă€r sĂ„ pass god att det gĂ„r att tillverka komponenter i den storleksordningen. Skillnaden med projektet Challenge Ă€r att de istĂ€llet kommer att anvĂ€nda en kiselskiva som substrat vilket kommer göra komponenterna billigare, sĂ€ger Christian Vieider.
En SiC 1700 V JBS-diod frÄn © Ascatron
Ett annat material med brett bandgap Ă€r galliumnitrid (GaN) men Ascatron har inga planer pĂ„ att börja jobba i det hĂ€r materialet. Teoretiskt kan GaN hantera lika stora spĂ€nningar som SiC eller till och med högre men i praktiken verkar GaN idag ha sina fördelar för spĂ€nningar upp till 600 V. – En orsak till det Ă€r att nĂ€r vi konstruerar vĂ„ra komponenter i SiC gĂ„r strömmen genom materialet frĂ„n ovansidan till baksidan vilket gör att vi kan hantera spĂ€nningar pĂ„ över 10 kV inuti materialet. I GaN-komponenter Ă€r elektroderna placerade pĂ„ samma sida av materialet och dĂ€rmed kan man inte fĂ„ lika stort avstĂ„nd mellan elektroderna, nĂ„got som innebĂ€r större risk för överslag. En stor fördel med att anvĂ€nda kraftkomponenter i SiC Ă€r de lĂ„ga energiförlusterna. – I ett projekt tillsammans med en kund i södra sverige tittar vi pĂ„ möjligheten att byta ut 10 stycken 1 kV kiseldioder mot en enda 10 kV SiC PiN-diod i en utrustning för rökgasrening till kolkraftverk. Med SiC-komponenter kommer de kunna minska förlusterna frĂ„n 5 % till 1 %. Fordonsindustrin Ă€r en bransch dĂ€r SiC-tekniken kan vara intressant i framtiden och spĂ„s av marknadsundersökningsföretag komma att vara en av motorerna i utvecklingen. HĂ€r Ă€r Toyota pĂ„drivande. – Toyota rĂ€knar med att öka rĂ€ckvidden hos sina elbilar med 20 procent genom att anvĂ€nda SiC-teknik. Om du rĂ€knar med att du först omvandlar vĂ€xelström till likström frĂ„n eluttaget till batteriet, sedan omvandlar likströmmen till vĂ€xelström fram till motorn och dĂ€rpĂ„ gör ytterligare en omvandling för att ta tillvara inbromsningsenergin blir den totala förlusten stor. Förutom att minska energiförlusterna och dĂ€rmed utöka rĂ€ckvidden rĂ€knar Toyota att kunna krympa moduler och system med mellan 30 och 50 procent och fĂ„ en ökad flexibilitet i var utrustningen kan placeras dĂ„ Ă€ven behovet av slangar för vattenkylning försvinner. Men det finns Ă€ven andra frĂ„gor Ă€n kostnadsskillnader mellan SiC- och kiselkomponenter som behöver adresseras av SiC-företagen och bland dem Ă€r tillförlitligheten en sĂ„dan. Tillverkarna mĂ„ste nĂ€mligen garantera att SiC-komponenterna hĂ„ller under en period pĂ„ 30 Ă„r och det i utrustningar med kontinuerlig drift.
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2019-02-19 15:52 V12.2.2-2