Szilícium-karbid: Az új dimenziók félvezetője

Ahogy a teljesítményelektronika korábbi képességeit drasztikusan meghaladva meredeken fejlődik, ez a fejlődés természetesen az alkalmazott félvezetőktől is függ. Félvezetők jönnek, félvezetők mennek, de inkább csak jönnek. Napjaink új főszereplője a szilícium-karbid, mely tovább fenve a teljesítményelektronika pengeélét már-már korábban elképzelhetetlen mértékűvé és kézzelfogható valósággá tette a teljesítmény új dimenzióit.

A szilícium-karbid (SiC) egy félvezető anyag, amelyet széles körben használnak az elektronikában és különböző ipari alkalmazásokban, beleértve az autóipari rendszereket is. Magas hőmérséklet-tűrése (körülbelül 2700°C) és magas dielektromos szilárdsága (értsd.: „elektromos mező tűrése”) lehetővé teszi, hogy magasabb feszültségeken működjön, miközben gyors kapcsolási sebességet biztosít, csökkentve az energia veszteséget és javítva a rendszer hatékonyságát. Kiváló hővezetésének köszönhetően jobb hőkezelést és növelt megbízhatóságot kínál a belőle készült komponensek számára. Az autóiparban alkalmazása különös jelentőséggel bír: elektromos járművek invertereiben és töltőrendszereiben hatékonyabb energiaátalakítást és kisebb méretű, könnyebb komponensek alkalmazását teszi lehetővé. A szilícium-karbid javítja a motorvezérlők teljesítményét és hatékonyságát, csökkentve a veszteségeket és növelve az energiahatékonyságot. Akkumulátorokban a szilícium-karbid alkalmazása hozzájárul a jobb hőkezeléshez és a magasabb hatékonysághoz, csökkenti a veszteségeket, hosszabb akkumulátor-élettartamot és gyorsabb töltést eredményez.

Az NXP Semiconductors és a ZF bejelentette együttműködésüket a következő generációs szilícium-karbid (SiC) alapú inverterek fejlesztésében. Az együttműködés célja a nagyobb teljesítménysűrűség biztosítása, ezáltal csökkentve az energiafogyasztást és javítva hatótávolságot.

A projekt főszereplője egyrészt az NXP GD316x kapumeghajtó, amely nagyfeszültségű, szigetelt programozható vezérlő-, diagnosztikai, felügyeleti és védelmi funkciókkal van ellátva, valamint a SiC tápmodul, amely nagy teljesítményű és kiváló hőálló képességekkel rendelkezik. Az új rendszer magasan az eddigi átlag fölött 800V-on dolgozik, amely lehetővé teszi az energiahatékonyság növelését és a hőveszteségek csökkentését, valamint a csökkentett elektromágneses interferenciát és a gyors kapcsolási időket.

Dr. Carsten Götte, a ZF elektromos hajtáslánc-technológiai alelnöke a 2024. június 4-i eindhoveni bejelentéskor elmondta: „az inverterek az elektromos járművek elektromos hajtásláncának kritikus elemei, amelyek az akkumulátorból származó egyenfeszültséget időben változó váltakozó feszültséggé alakítják, amely meghajtja a jármű motorját. Mivel az inverterek most áttérnek a SiC-alapú kialakításokra, a SiC tápegységeket párosítani kell a nagyfeszültségű szigetelt kapumeghajtókkal, hogy kihasználják az olyan előnyöket, mint a magasabb kapcsolási frekvencia, kisebb vezetési veszteségek, jobb termikus jellemzők és nagyobb robusztusság magas feszültségeknél, mint az előző generációs szilícium alapú IGBT és MOSFET tápkapcsolók.”

Ismételve és kiegészítve a nyilatkozatot: Az SiC félvezetők egyik fő előnye a magasabb kapcsolási frekvencia, amely lehetővé teszi a gyorsabb kapcsolási sebességet, így növelve a teljesítményt és hatékonyságot az energiaátvitel közbeni veszteségek csökkentésével. Továbbá, az SiC alapú tápegységek kisebb vezetési veszteségekkel működnek, ami azt jelenti, hogy kevesebb energia vész el hő formájában, növelve ezzel a rendszer általános hatékonyságát. Az SiC kiváló hővezető képességgel is rendelkezik, ami javítja a hőelvezetést és lehetővé teszi a félvezetők magasabb hőmérsékleten történő működését. Ez különösen fontos nagy teljesítményű alkalmazásokban, ahol jelentős hőterhelés jelentkezik. Emellett az SiC félvezetők magas dielektromos szilárdsággal rendelkeznek, ami lehetővé teszi, hogy nagyobb feszültségeken működjenek anélkül, hogy meghibásodnának, így növelve az eszközök megbízhatóságát és élettartamát. Ezek a tulajdonságok jelentős előrelépést jelentenek az előző generációs szilícium alapú IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) és MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) tápkapcsolókhoz képest, amelyek nem tudják elérni az SiC nyújtotta hatékonyságot, teljesítményt és hőmérséklet-tűrést. Az SiC kapumeghajtók és tápegységek integrálásával az inverterek sokkal hatékonyabbá, megbízhatóbbá és robusztusabbá válnak, így jobban megfelelnek a modern elektromos járművek és egyéb nagy teljesítményű alkalmazások igényeinek. (a Szerk.)

Végül: mi az a kapumeghajtó és hogyan alkalmazzuk az elektromos hajtásláncokban?

A kapumeghajtó (angolul gate driver) egy elektronikai áramkör vagy eszköz, amely a félvezetők, például tranzisztorok (IGBT-k vagy MOSFET-ek) vezérlésére szolgál. Az elektromos hajtásláncokban és egyéb nagy teljesítményű alkalmazásokban a kapumeghajtók kulcsfontosságú szerepet játszanak a kapcsolási folyamatok vezérlésében és optimalizálásában. A kapumeghajtó megnöveli a vezérlőjeleket olyan szintre, hogy azok hatékonyan tudják kapcsolni a nagy teljesítményű tranzisztorokat, ami különösen fontos az IGBT-k és MOSFET-ek esetében, amelyek nagyobb teljesítményt igényelnek a kapuk kapcsolásához. Emellett biztosítják a tranzisztorok gyors és pontos kapcsolását, ami szükséges az energiahatékonyság javítása és a kapcsolási veszteségek minimalizálása érdekében. A kapumeghajtók védelmi funkciókat is ellátnak, például túlfeszültség-, túláram- és túlmelegedés-védelmet nyújtanak, növelve a rendszer megbízhatóságát és élettartamát. Továbbá folyamatosan figyelik a tranzisztorok állapotát és visszajelzést adnak a vezérlőrendszernek, ami lehetővé teszi a finomhangolást és az optimális működést. A kapumeghajtók segítenek csökkenteni az elektromágneses interferenciát (EMI) a kapcsolási folyamatok során, biztosítva a rendszer zavartalan működését. Az elektromos járművekben a kapumeghajtók az inverterekben találhatók, amelyek az akkumulátor egyenáramát (DC) váltakozó árammá (AC) alakítják át, hogy meghajtsák a villanymotort. A kapumeghajtók vezérlik a nagy teljesítményű MOSFET-ek vagy IGBT-k kapcsolását az inverterben, biztosítva a motor hatékony és precíz működését. A megfelelő kapumeghajtó kiválasztása és integrálása kulcsfontosságú a teljes hajtáslánc teljesítményének, hatékonyságának és megbízhatóságának biztosítása érdekében. Összefoglalva, a kapumeghajtók nélkülözhetetlenek az elektromos hajtásláncokban, mivel biztosítják a félvezetők hatékony vezérlését, védelmét és optimális működését.

SiC kérdésekben az NXP videójából tájékozódhat jobban a kedves olvasó:

https://www.nxp.com/video/what-is-sic:SIC-VID

Forrás: nxp.com, automotivepowertraintechnologyinternational.com, wikipedia.com