تجاوز الحدود باستخدام تقنيات الطاقة SiC وSuper-Junction
تأسست شركة Power Master Semiconductor (PMS) في عام 2018، وهي شركة كورية جنوبية تضم فريقًا يتمتع بخبرة تزيد عن عقدين من الزمن في صناعة أشباه موصلات الطاقة. تركز الشركة على تطوير وإنتاج الثنائيات والدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة من كربيد السيليكون (SiC)، جنبًا إلى جنب مع الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (SJ) فائقة التوصيل، ولا سيما خط eMOS E7 المبتكر.
تقنيات eMOS E7 وeSiC MOSFET
توفر تقنية الوصلة الفائقة eMOS E7 أداء تحويل سريع مع ضوضاء تبديل منخفضة وطفرات زائدة. وينتج عن ذلك موثوقية النظام وقوته الممتازة.
تعد القدرة القوية على الانهيار الجليدي لـ eMOS E7 مناسبة لتطبيقات التبديل الصعبة، ويتيح أداء الصمام الثنائي الداخلي القوي لـ eMOS E7 موثوقية النظام في طبولوجيا التبديل الناعمة مثل محولات الرنين LLC أو محولات الجسر الكامل ذات التحول الطور ZVS. وبالتالي، فإن عائلة eMOS E7 مناسبة للعديد من التطبيقات التي تتطلب كفاءة فائقة وكثافة طاقة أعلى، مثل التطبيقات الاستهلاكية والصناعية والسيارات.
اليوم، تطرح صناعة تحويل الطاقة العديد من التحديات في تطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية، مثل الطاقة المتجددة، ومحركات المحركات، وأجهزة الشحن المدمجة (OBCs)، والضواغط الإلكترونية، ومحولات الجر. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي النمو السريع للذكاء الاصطناعي (AI) إلى زيادة الطلب الكبير على الطاقة في مراكز البيانات. تهدف وحدات إمداد طاقة الخادم الحديثة (PSU) إلى تلبية معيار 80 Plus Titanium، مما يتطلب كفاءة قصوى تزيد عن 96% عند نصف التحميل.
تعالج PMS هذه التحديات من خلال تقنية eSiC MOSFET الخاصة بها. تتيح وحدات eSiC MOSFET تصميمات وحدات تزويد الطاقة (PSU) المبتكرة وعالية الأداء والتي تعمل على تقليص البصمة بشكل أكبر مع مواجهة تحديات التداخل الحراري والكهرومغناطيسي. وفقًا لـ PMS، توفر وحدات eSiC MOSFET أداءً ممتازًا في التحويل، وجهد عتبة ثابتًا للتشغيل المتوازي، وقدرة على الانهيار الجليدي تم اختبارها بنسبة 100٪.
نظرًا لتزايد أهمية الكفاءة وكثافة الطاقة واستمرار انخفاض سعر SiC، فإن استبدال Si بـ SiC سوف يتسارع، وسيلعب SiC دورًا مهمًا في كل من التطبيقات الصناعية وتطبيقات السيارات.
فوائد تقنية eSiC MOSFET
تم تصميم تقنية eSiC Gen1 لتحقيق كفاءة وموثوقية عالية على الحمل بأكمله عن طريق تقليل COSS الديناميكي وتبديل الخسائر وتحسين متانة الانهيار في طبولوجيا التبديل الصلبة والناعمة.
كما هو موضح في الشكل 1، فإن الميزة الفريدة لـ eSiC MOSFET مقارنة بوحدات SiC MOSFET المستوية والخندقية هي تجاوز الجهد المنخفض، على الرغم من انخفاض فقدان تبديل إيقاف التشغيل بمقدار Dv/dt أعلى.
وفقًا للشركة، من المتوقع أن تكون أرقام الجدارة (FOMs) للجيل القادم من eSiC MOSFET، والتي سيتم إصدارها هذا العام، مشابهة أو تتجاوز تلك الخاصة بأحدث منافسي SiC MOSFETs. يعمل Gen2 eSiC MOSFET على تحسين FOMs (EOSS* رDS (تشغيل) و سOSS* رDS (تشغيل)) بنسبة 33% و سز* رDS (تشغيل) FOMs بنسبة 40% مقارنة بـ Gen1 eSiC MOSFET. تم تحسين فقد التحويل في Gen2 e SiC MOSFET بنسبة 40% مقارنةً بـ Gen1 eSiC MOSFET.
جوانب الموثوقية
للتأكد من قدرة دوائر SiC MOSFET على تحمل البيئات الصعبة والحفاظ على أدائها على مدى فترات طويلة، تجري PMS اختبارات HTGB (تحيز البوابة ذات درجة الحرارة العالية) الديناميكية لتقييم استقرار أكسيد البوابة في ظل ظروف درجة الحرارة والجهد العالية.
تساعد اختبارات الصمام الثنائي للجسم على فهم سلوك ومتانة الصمام الثنائي للجسم في ظل التبديل المتكرر وسيناريوهات التيار العالي. وفي المقابل، فإن اختبارات التحمل طويلة المدى، والتي تم إجراؤها لأكثر من 3000 ساعة في ظل ظروف التحيز العادية، توفر نظرة ثاقبة حول موثوقية الأجهزة على المدى الطويل وآليات الفشل المحتملة.
التحدي ذو الصلة لأجهزة طاقة SiC هو انحراف جهد العتبة، الناتج بشكل أساسي عن سماكة أكسيد البوابة الرقيقة لـ SiC مقارنة بالسيليكون. عندما يتم تطبيق نفس انحياز البوابة على البوابة في MOSFET، يتم تحفيز مجال كهربائي أعلى في أكسيد البوابة الأرق. يتأثر استقرار أكسيد البوابة بشدة بقوة المجال الكهربائي.
من خلال تقليل الشحنة في كثافات مصيدة الأكسيد و/أو حالة الواجهة، يجب أن يكون من الممكن تقليل انحراف جهد العتبة في SiC ومنع ظروف إجهاد البوابة من التأثير على جودة أكسيد البوابة. هناك طرق مختلفة قيد التطوير لتحقيق الاستقرار في انحراف الجهد العتبي. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر تصميم الجهاز أيضًا بمثابة حماية للمجال الكهربائي في أكسيد البوابة في ظروف التشغيل القاسية.
لتقييم العيوب التي تؤثر على موثوقية أكسيد البوابة بشكل فعال في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة SiC، يستخدم PMS عدة منهجيات رئيسية. يعد اختبار HTGB، الإيجابي والسلبي، طريقة قياسية لتقييم سلامة أكسيد البوابة تحت الضغط. لتحديد عمر أكسيد البوابة في ظل ظروف الإجهاد المستمر، يتم إجراء اختبارات انهيار العزل الكهربائي المعتمد على الوقت (TDDB). يتم أيضًا إجراء اختبارات انحياز عدم استقرار درجة الحرارة (BTI) لتقييم كيفية استجابة أكسيد البوابة لضغط الجهد المطول وتغيرات درجات الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، أجرت شركة Power Master Semiconductor اختبارات الاحتراق أثناء الإنتاج الضخم لفحص حالات الفشل المبكرة الناجمة عن عيوب أكسيد البوابة. تضمن طرق التقييم الشاملة هذه فهمًا شاملاً وتقييمًا قويًا لموثوقية أكسيد البوابة في دوائر SiC MOSFETs.
وفقًا لـ PMS، من حيث الموثوقية مع هيكل البوابة، يُظهر هيكل البوابة المستوية ثباتًا أفضل من هيكل بوابة الخندق نظرًا لأن المجال الكهربائي محمي بسهولة بواسطة الآبار p المجاورة. ومع ذلك، في هيكل بوابة الخندق، يتم إحداث مجال كهربائي عالي في الجزء السفلي من الخندق، والذي سوف يتحلل بشكل كبير. للتغلب على هذه المشكلة، يمكن تطبيق مخططات حماية مختلفة مثل أكسيد القاع السميك، وطبقة p إضافية أسفل قاع الخندق لأكسيد البوابة، وبئر P العميق، وما إلى ذلك.
SiC في تصميم تحويل الطاقة
لقد أدت تقنية SiC إلى فوائد كبيرة، بما في ذلك زيادة كفاءة النظام، وتقليل حجم النظام ووزنه، وتقليل خسائر التبديل بسبب رسوم الاسترداد العكسي الضئيلة في طوبولوجيات تحويل الطاقة المختلفة.
تم تحسين وحدات SiC MOSFET لطبولوجيا الجسور التي يمكنها زيادة أداء SiC إلى الحد الأقصى. بالإضافة إلى ذلك، تتزايد قوة النظام بشكل مطرد في هذا المجال. على سبيل المثال، تنتقل أجهزة الشحن المدمجة (OBCs) من 6.6 كيلو واط إلى نطاق من 11 كيلو واط إلى 22 كيلو واط، وأصبح التشغيل ثنائي الاتجاه اتجاهًا رئيسيًا لتمكين وظائف مثل V2L (من المركبة إلى التحميل)، وV2G (من المركبة إلى الشبكة)، وV2V (من مركبة إلى مركبة)، وV2H (من مركبة إلى جهاز منزلي). وبالمثل، فإن ظهور الذكاء الاصطناعي يؤدي إلى زيادة متطلبات طاقة الخادم من 3 كيلو واط إلى 12 كيلو واط.
ومع ذلك، يتطلب النظام أيضًا تحسين قيود SiC MOSFET. يُعرف زمن تحمل الدائرة القصيرة (SCWT) لوحدات SiC MOSFETs بحوالي 3 μs، وهو أقصر بكثير من Si IGBT. لذلك، تتطلب وحدات SiC MOSFET مشغل بوابة فريدًا مزودًا بدائرة حماية للكشف السريع والدقيق عن الأخطاء لحماية أجهزة وأنظمة التبديل من التيار الزائد للدائرة القصيرة.
في صناعة السيارات، يعد الحفاظ على معدلات منخفضة للغاية من العيوب لكل مليون (dpm) أمرًا بالغ الأهمية، وينطبق هذا المطلب بالتساوي على الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (SiC MOSFETs) كما هو الحال مع أشباه الموصلات التقليدية القائمة على السيليكون. لضمان أعلى مستوى من الموثوقية، تعتمد PMS عمليات تصنيع متقدمة وإجراءات صارمة لمراقبة الجودة طوال عملية الإنتاج.
تخضع وحدات SiC MOSFET الخاصة بـ PMS لبروتوكولات اختبار صارمة مصممة خصيصًا لتطبيقات السيارات والتطبيقات الصناعية. تتضمن هذه الاختبارات جميع عناصر الاختبار المحددة في AEC-Q101. يغطي إعداد الاختبار الشامل الخاص بهم اختبار الإجهاد البيئي، واختبارات إثبات الموثوقية، واختبارات الإجهاد الكهروضوئية، واختبارات الإجهاد الميكانيكية.
يعد التحسين المستمر جزءًا لا يتجزأ من نهج الشركة، حيث تقوم PMS باستمرار بتحسين منتجاتها من خلال جهود البحث والتطوير المستمرة. علاوة على ذلك، تقوم PMS بمراقبة الأداء الميداني لوحدات SiC MOSFET الخاصة بها، مما يضمن موثوقيتها على مدى العمر التشغيلي.
لمعالجة مخاوف عملاء السيارات، توفر PMS أيضًا وثائق مفصلة حول إجراءات اختبار الموثوقية والنتائج بتنسيق PPAP.
وفيما يتعلق بتصنيع أشباه الموصلات، تعتقد شركة PMS أن سوق SiC من المتوقع أن يقود النمو المستمر في الطلب على الرقائق مقاس 8 بوصات في المستقبل. وجهة النظر العامة هي أنه ليس من السهل تأمين التكلفة والجودة التنافسية حتى عام 2028. ويبدو أن هذا هو الرأي الشائع لمعظم موردي رقائق SiC.
وفي الوقت نفسه، يمكن اعتبار أن السيليكون مقاس 8 بوصات يخلق قيمة عالية نسبيًا، مثل GaN، بدلاً من المنتجات التقليدية (مثل SJ MOS / IGBTs)، ويمكنه أيضًا تشغيل المنتجات المستهدفة كسوق متخصصة، مثل MV MOS الذي انتهى. 200 فولت. سيكون لتقنية تصنيع السيليكون مقاس 8 بوصة دور مهم عندما ينتقل SiC مقاس 6 بوصة إلى SiC مقاس 8 بوصة.
التدوينة تجاوز الحدود باستخدام تقنيات الطاقة SiC وSuper-Junction ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.