אימוץ סיליקון קרביד נכנס לשלב הבא תוך מתן דגש על אמינות המכשירים, חדשנות של מנהל התקן השער, ופתרונות מערכת כוללים

הביקוש לטכנולוגיית סיליקון קרביד (SiC) שמגדילה את היעילות של מערכות החשמל של ימינו ובמקביל מפחיתה את גודלן, משקלן ועלותן, ממשיך לגדול. אך פתרונות SiC אינם מחליפים את הסיליקון ללא התערבות, ולא כולם נוצרו באופן דומה. כדי לממש את ההבטחה של טכנולוגיית SiC, המפתחים חייבים להעריך בקפידה את אפשרויות המוצרים והספקים על סמך איכות, אספקה ותמיכה, ולהבין כיצד לייעל את שילובם של רכיבי חשמל משבשים אלה מסוג SiC במערכות הקצה שלהם.

אימוץ הולך וגדל

עקומת האימוץ של טכנולוגיית SiC נמצאת במגמה תלולה כלפי מעלה. זמינות המוצרים והיצע הבחירות של ספקי רכיבים רבים גדלו באופן ניכר. השוק הוכפל בשלוש השנים האחרונות והוא צפוי לגדול פי 20 לשווי של יותר מ-10 מיליארד דולר בערך במהלך 10 השנים הבאות. האימוץ מתרחב מעבר ליישומים ברכבים היברידיים וחשמליים (H/EV), אל מערכות בקרת חשמל ומנועים שאינן נמצאים ברכבים, אלא ברכבות, רכבים כבדים, ציוד תעשייתי ותשתית טעינה לרכב חשמלי. ספקים של המגזר הביטחוני ומגזר החלל והתעופה דוחפים גם הם את איכות ואמינות ה-SiC לעמידה בדרישות המחמירות והידועות לשמצה של מגזרים אלה לחוסנם של רכיבים.

חלק מרכזי בתכנית הפיתוח של SiC הוא אימות האמינות והעמידות של מכשירי SiC, מכיוון שהדבר משתנה מאוד בין הספקים. עם המגמה הגוברת למיקוד כולל של המערכת, גם המעצבים צריכים להעריך את היקף היצע המוצרים של הספק. חשוב שמעצבים יעבדו עם ספקים שמציעים פתרונות גמישים כגון אפשרויות שבלונות, בידול ומודולים שמגובים על ידי הפצה גלובלית, תמיכה וכלי הדמיה ופיתוח מקיפים לעיצוב. מפתחים שמעוניינים להגן על העיצובים שלהם בעתיד יצטרכו לללמוד את היכולות העדכניות ביותר, כגון מנהלי התקן שער דיגיטליים לתכנות שפותרים בעיות הטמעה קודמות, תוך שהם מאפשרים “לכוונן” את ביצועי המערכת בלחיצה על מקש.

צעד ראשון: שלוש מבחנים מרכזיים

שלישיית המבחנים מספקת את הנתונים להערכת האמינות של מכשיר SiC: היכולת לעמוד במפולת; היכולת לעמוד במעגלים קצרים; והאמינות של דיודת הגוף SiC MOSFET.

יכולת נאותה לעמידה במפולת היא קריטית:  אפילו תקלה קלה מסיבה פסיבית עלולה לגרום לקפיצות זמניות במתח שעולות על מתח התמוטטות מדורג, ובסופו של דבר לגרום לכשל במכשיר או במערכת כולה. SiC MOSFET עם יכולת נאותה לעמודה במפולת מפחית את הצורך במעגלי סחיפה ומאריך את חיי היישום. האפשרויות הטובות ביותר מדגימות יכולת UIS גבוהה של עד 25 ג’אול לסנטימטר מרובע (J/cm2). מכשירים אלה מראים ירידה מועטה בפרמטרים גם לאחר 100,000 מחזורים של בדיקות UIS חוזרות (RUIS).

המבחן המרכזי השני הוא זמן עמידה בקצר חשמלי (SCWT), או הזמן המרבי לפני כשל במכשיר במצב של קצר בין פס לפס. התוצאה צריכה להיות קרובה לזו של טרנזיסטורים דו קוטביים בעלי שער מבודד (IGBT) שמשמשים ביישומי המרת חשמל, לרובם יש זמן עמידה של 5-10 מיקרו שניות (us) בקצר חשמלי.  הבטחת זמן עמידה מספק בקצר חשמלי מאפשרת למערכות אפשרות לטפל בתקלות מבלי לגרום נזק למערכת.

מדד מרכזי שלישי הוא יציבות הולכת המתח של דיודת הגוף הפנימית של ה-SiC MOSFET. הדבר יכול להשתנות באופן מהותי בין ספק אחד לאחר. ללא תכנון, עיבוד ומכשירים מתאימים, המוליכות של דיודה זו עשויה להידרדר במהלך ההפעלה, ולהביא לעלייה בהתנגדות בין המקור לשפך במצב פועל (RDSon). איור 1 שופך מעט אור על ההבדלים הקיימים. במחקר שנערך על ידי אוניברסיטת אוהיו, הוערכו MOSFET של שלושה ספקים. בקצה אחד של התוצאות, כל המכשירים של ספק B הציגו ירידה בהולכת הזרם, ואילו מצד שני, לא נצפתה ירידה ב-MOSFET של ספק C.

איור 1: מאפייני הולכה של SiC MOSFETs, שממחישים את ההבדלים בהידרדרות דיודות הגוף לפי הספק. מקור: ד”ר אננט אגרוואל וד”ר מין סוק קאנג, אוניברסיטת אוהיו.

לאחר אימות מהימנות המכשיר, השלב הבא הוא הערכת המערכת האקולוגית שמקיפה את המכשירים הללו, כולל מגוון של אפשרויות מוצר, שרשרת אספקה איתנה ותמיכה בעיצוב.

אספקה, תמיכה ועיצוב ברמת המערכת

במספר גדל והולך של ספקי SiC, אפשרויות המכשירים של חברות ה-SiC של ימינו יכולות להשתנות בנוסף לניסיון ותשתית לתמיכה באספקה עבור שווקי SiC מחמירים רבים כגון המגזר הצבאי ומגזר החלל והתעופה.

תכנון מערכות החשמל עובר שיפור מתמיד לאורך זמן ובתוך דורות שונים של אותו העיצוב. יישומי SiC אינם שונים. דורות מוקדמים של עיצובים עשויים לעשות שימוש במוצרי חשמל נפרדים זמינים וסטנדרטיים באפשרויות חבילת קדח מעבר או השמה משטחית סטנדרטיות מאוד. ככל שמספר היישומים גדל וככל שהמעצבים מתמקדים בצמצום הגודל, המשקל והעלות, הם בדרך כלל מעבירים את העיצובים שלהם למודולי חשמל משולבים או עשויים לבחור בשותפויות תלת-צדדיות.  שותפויות תלת-צדדיות אלה כוללות את צוות תכנון המוצר הסופי, יצרן מודולים וספק שבלונות SiC. לכל אחד מהם יש תפקיד קריטי בהשגת יעדי התכנון הכוללים.

בעיות בשרשרת האספקה מהווות חשש מרכזי ולגיטימי בשוק ה-SiC שצומח במהירות. חומר המצע של SiC הוא החומר היקר ביותר בזרימת הייצור של שבלונות SiC. בנוסף, ייצור SiC דורש ציוד ייצור בטמפרטורה גבוהה שאינו נדרש לעבור פיתוח מוצרי חשמל מבוססי סיליקון ולמעגלים משולבים.  המעצבים חייבים להבטיח שלספקי SiC יש מודל שרשרת אספקה מהימן, כולל מיקומי ייצור מרובים במקרה של אסונות טבע או בעיות תפוקה כדי להבטיח שההיצע תמיד יוכל לענות על הביקוש. ספקי רכיבים רבים לא מעניקים יותר תמיכה (EOL) למכשירים מדורות ישנים יותר, דבר שמאלץ מעצבים להשקיע זמן ומשאבים בתכנון מחדש של יישום קיים במקום לפתח עיצובים חדשים וחדשניים שיסייעו בהוזלת עלויות מוצרי הקצה ובהגדלת ההכנסות.

גם התמיכה בעיצוב היא קריטית, כולל כלי סימולציה ועיצובי לדוגמא שמסייעים להפחתת זמני מחזור הפיתוח.  עם פתרונות לטיפול בשליטה ובהפעלה של מכשירי SiC, מפתחים יכולים לחקור יכולות חדשות כגון מיתוג מוגבר על מנת לממש את הערך המלא של גישה מערכתית כוללת. איור 2 מציג תכנון מערכת מבוסס SIC עם מנהל התקן השער דיגיטלי עבור תכנות משולב שמאיץ עוד יותר את זמן הייצור תוך יצירת דרכים חדשות לייעול העיצובים.

איור 2: לוחות מתאם למודולים בשילוב ליבות מנהל התקן שער מספקים פלטפורמה להערכה ולביצוע אופטימיזציה של מכשירי חשמל חדשים מסוג SiC באמצעות החלפה מוגברת.

אפשרויות חדשות לאופטימיזציה של העיצוב

אפשרויות מנהל התקן שער דיגיטליות וניתנות לתכנות ממקסמות את היתרונות של SiC באמצעות החלפה מוגברת. הם מאפשרים תצורה קלה של זמני הפעלה/כיבוי של SiC MOSFET ושל רמות המתח כך שמעצבים יוכלו להאיץ את ההחלפות ולהגדיל את יעילות המערכת תוך הפחתת הזמן והמורכבות הקשורים לפיתוח מנהל התקן שער. במקום לשנות את ה-PCB באופן ידני, מפתחים יכולים להשתמש בתוכנת תצורה על מנת לייעל את העיצובים מבוססי ה-SiC שלהם באמצעות לחיצה על מקש, כדי לספק להם הגנה עתידית תוך האצת זמן השיווק והגברת היעילות וההגנה מפני תקלות.

איור 3: שימוש במנהלי התקן שער שהניתנים לתכנות דיגיטלי עבור יישום טכניקות ההחלפה המוגברת העדכניות ביותר מסייע בפתרון בעיות רעש ב-SiC, מזרז את התגובה לקצר במעגל, מסייע בניהול בעיות של מתח יתר ומצמצם התחממות יתר.

המאמצים הראשונים של SiC כבר מבינים את היתרונות בתחומי הרכב, התעשייה, הביטחון והתעופה והחלל כאשר האימוץ גדל ביישומים נרחבים יותר. ההצלחה תמשיך להסתמך על היכולת לאמת את אמינותו וחוסנו של מכשיר SiC. מפתחים שמאמצים אסטרטגיית פתרונות כוללת, יזדקקו לגישה לתיקים מקיפים שנתמכים על ידי שרשרת אספקה גלובלית שלמה ואמינה וכל כלי ההדמייה הפיתוח הנדרשים. יש להם בנוסף הזדמנויות חדשות להשקעות עליהן ניתן להגן בעתיד באמצעות אופטימיזציה של תכנות שניתן להגדרה במצעות תוכנה עם יכולות חדשות שמופעלות באמצעות מנהל התקן שער דיגיטלי שניתן לתכנות.