SiC vstupuje do nové fáze. Žádejte spolehlivost, inovace i systémová řešení

Karbid křemíku se těší stále větší oblibě. Technologie SiC totiž maximalizují účinnost současných systémů napájení, zatímco souběžně snižují jejich rozměry, hmotnost a také cenu. Řešení na bázi SiC však nejsou přímou náhradou za tradiční křemíkové součástky a stejně tak nebudou všechna ani vytvářena. Aby mohli vývojáři vytěžit z technologie SiC opravdové maximum, musí pečlivě posoudit možnosti spojené s daným produktem, ale i jeho výrobcem, pokud jde o kvalitu, dodávku a také podporu. Musí mít rovněž jasno v tom, jak optimalizovat zapojení těchto výkonových součástek s rušivým vyzařováním v rámci svých koncových systémů.

Zájem o SiC roste

Technologie SiC se těší zájmu rostoucímu obrovským tempem. Společně s rozsahem nabídek od různých dodavatelů součástek se zvýšila i dostupnost produktu. Za poslední tři roky se trh zdvojnásobil a v průběhu následujících deseti let se očekává jeho 20násobný nárůst na více než deset miliard dolarů. Zájem se však netýká pouze palubních systémů hybridních vozidel a elektromobilů (H/EV), ale také napájení a řídicích systémů motorů vně automobilového průmyslu. Je zapotřebí zmínit vlaky, vozidla určená do těžkého provozu, průmyslové vybavení nebo např. infrastrukturu pro nabíjení EV. Kvalitu a spolehlivost prvků SiC rovněž prosazují dodavatelé v oblasti letectví či obrany, jen aby vyhověli tradičně přísným požadavkům na odolnost součástek právě v těchto sektorech.

Klíčovou součástí vývojového programu, pokud jde o technologie SiC, bude osvědčení spolehlivosti a odolnosti takových součástek. Tím se ale dodavatelé mezi sebou výrazně odlišují. S rostoucím trendem, kdy se pozornost upírá na celý systém, je navíc zapotřebí, aby vývojáři v případě produktové nabídky dodavatele rovněž posoudili její rozsah. Důležitá budou právě flexibilní řešení na úrovni čipů, diskrétních součástek a také modulů, která výrobci zaštiťují celosvětovou distribuční sítí společně s podporou a důkladnými simulacemi návrhů, včetně souvisejících vývojových nástrojů. Vývojáře, kteří své návrhy hodlají „pojistit“ i do budoucna, budou dále zajímat i nejnovější možnosti spojené s číslicově nastavitelnými budiči hradel, které zde řeší dřívější problémy provázané s implementací, zatímco umožňují stiskem klávesy „ladit“ výkon systému.

Krok č. 1: tři klíčové testy

Údaje potřebné k posouzení spolehlivosti součástky na bázi SiC nám zajistí trojice testů dotýkajících se lavinového průrazu, schopnosti vydržet podmínky při zkratu a také spolehlivosti vestavěné diody MOSFETu SiC.

Přiměřené schopnosti tranzistoru hrají v případě lavinového průrazu klíčovou roli. Vždyť i drobná porucha na pasivním prvku může v případě napětí způsobit přechodové špičky, které svou velikostí překročí jmenovité průrazné napětí a vše nakonec vyústí v selhání na úrovni součástky nebo snad i celého systému. SiC MOSFETy pak za předpokladu dostatečné odolnosti snižují potřebu tlumicích obvodů a prodlužují životnost dané aplikace. Nejlepší prvky se zde mohou pochlubit vysokým UIS na úrovni až 25 joulů na čtvereční centimetr (J/cm²). Parametry u takových součástek pak nevykazují zásadnější degradaci ani po 100 000 cyklech opakovaného testování (RUIS).

S druhým klíčovým testem se pojí tzv. SCWT (short circuit withstand time) nebo též maximální doba před tím, než součástka přestane kvůli zkratu fungovat (rail-to-rail). Výsledek by se měl přibližovat situaci s tranzistory IGBT používanými v oblasti konverze napájení, kde většina z nich pro SCWT uvažuje 5 až 10 mikrosekund. Dostatečné SCWT pak dává systému příležitost vypořádat se s podmínkami dané chyby, aniž by hrozilo jeho poškození.

Třetím stěžejním kritériem zde konečně bude stabilita napětí v propustném směru u vnitřní „body“ diody SiC MOSFETu, která se může u jednotlivých výrobců značně lišit. Bez patřičného návrhu součástky, zpracování a také použitých materiálů hrozí u takové diody během provozu degradace její vodivosti, což povede k nárůstu odporu v sepnutém stavu RDSon mezi vývody drain a source. Na existující rozdíly se blíže zaměřuje obr. 1. V rámci studie prováděné na Ohio State University se zkoumaly MOSFETy od tří dodavatelů. Na jedné straně zde všechny součástky od výrobce B vykazovaly degradaci proudu v propustném směru, zatímco u tranzistorů výrobce C nic podobného pozorováno nebylo.

Jakmile je spolehlivost součástky potvrzena, přichází na řadu zhodnocení ekosystému, který takové prvky obklopuje – jde o rozsah produktové nabídky, spolehlivost dodavatelského řetězce a také podporu při návrhu.

Obr. 1  Charakteristiky MOSFETů SiC v propustném směru zachycující rozdíly mezi výrobci, pokud jde o degradaci vestavěné diody; zdroj: Dr. Anant Agarwal a Dr. Min Seok Kang, Ohio State University

Dodávka, podpora i návrh na systémové úrovni

S rostoucím počtem dodavatelů tranzistorů SiC se mohou současní výrobci u součástek lišit z pohledu nabízených možností, ale také svých zkušeností a infrastruktury nebo i podporou a zásobováním na mnoha trzích pro SiC s přísnými požadavky, uvažujeme-li např. automobilový průmysl, letectví či obranu.

Napájecí systémy se postupem času a poplatně různým generacím takového návrhu nepřetržitě zlepšují a zapojení s prvky SiC zde nejsou žádnou výjimkou. Prvotní generace ve svých návrzích spoléhaly na široce dostupné, standardní diskrétní výkonové prvky ve zcela běžném provedení pouzder vhodných pro osazení do vrtaných otvorů či k povrchové montáži. S tím, jak počet aplikací dále roste, a vývojáři se zaměřují na snižování velikosti, hmotnosti a také ceny, budou ve svých návrzích počítat spíše s integrovanými výkonovými moduly, příp. se rozhodnou pro spolupráci s třetí stranou. Posledně zmiňovaný případ poté zahrnuje vývojový tým pro koncový produkt, výrobce modulu a také dodavatele čipu SiC. Při dosahování vytyčených cílů zde každý z nich bude hrát klíčovou roli.

Záležitosti spojené s dodavatelským řetězcem jsou na překotně rostoucím trhu pro technologie SiC hlavní a také zcela oprávněnou starostí. Pokud jde o produkci čipů SiC, bude materiál pro výrobu jejich substrátu z velké části nákladnou záležitostí. Produkce SiC si navíc žádá výrobní zařízení pro vysoké teploty, které nejsou v případě tradičních křemíkových výkonových součástek a integrovaných obvodů zapotřebí. Vývojáři se rovněž potřebují ujistit, že výrobci prvků SiC mají solidní model dodavatelského řetězce, včetně výrobních závodů na různých místech, pokud by např. došlo k přírodním katastrofám nebo dalším významným komplikacím ve výrobě, takže budou mít jistotu, že dodávka bude pokaždé odpovídat jejich poptávce. Spousta výrobců také u svých starších generací součástek operuje s tzv. EOL (end-of-life) a nutí vývojáře trávit čas a vynakládat prostředky na přepracování stávající aplikace místo toho, aby vyvíjeli nové a inovativní návrhy, které u koncového produktu sníží náklady a pomohou zvýšit výnos.

Neméně důležitá je i podpora celého návrhu zahrnující simulační nástroje a také referenční návrhy, se kterými lze zkrátit dobu potřebnou k vývoji. Díky řešením, která se u prvků SiC dotýkají jejich řízení či buzení, pak mohou vývojáři prozkoumat nové možnosti, jako je např. rozšířené spínání, a z celého systémového řešení tak vytěžit opravdové maximum. Obr. 2 nám ilustruje návrh systému založeného na technologiích SiC s integrovaným, číslicově nastavitelným buzením hradla, což dále zkracuje dobu vývoje a představuje rovněž nové způsoby, jak takové návrhy optimalizovat.

Obr. 2  Platforma sloužící k rychlému zhodnocení a také optimalizaci nových výkonových součástek SiC prostřednictvím rozšířeného spínání se odvíjí od modulů – desek spojených s buzením hradla

Nové způsoby optimalizace návrhu

Možnosti spojené s digitálně nastavitelným buzením hradla rozšiřují výhody SiC na základě způsobu spínání. Umožňují snadnou konfiguraci doby sepnutí a vypnutí MOSFETů SiC, včetně napěťových úrovní, takže mohou vývojáři zrychlit spínání a zvyšovat účinnost systému, zatímco je již nebude tolik trápit časová náročnost, resp. komplikace spojené s návrhem buzení hradla. Místo fyzické úpravy desky plošného spoje dostane spíše slovo klávesnice a konfigurační software pro optimalizaci jejich návrhu založeného na SiC, to vše s výhledem do budoucna a bonusy v podobě rychlejšího uvedení na trh, lepší účinnosti a také ochrany před selháním.

Pole působnosti pro technologie SiC roste a firmy, které si na začátku takové prvky osvojily, již těží z výhod v automobilovém i průmyslovém sektoru, letectví či obraně. Další úspěch bude spojen se schopností osvědčit spolehlivost a také odolnost součástek SiC. Celková řešení jsou pro vývojáře nespornou výhodou, což také znamená, že dostávají přístup k ucelené nabídce, kterou dále v celosvětovém měřítku podporuje kompletní a spolehlivý dodavatelský řetězec, včetně všech nezbytných návrhových simulací a vývojových nástrojů. Další příležitosti pak s výhledem do budoucna představují nové možnosti, jak optimalizovat návrh softwarovou cestou na základě číslicově nastavitelného buzení hradla.