Wat is Vermogenshalfgeleider (vermogenscomponent)?
Halfgeleidercomponent die hoge spanningen en grote stromen schakelt om elektrische energie om te zetten en te regelen. Ook vermogenscomponent genoemd. Voorbeelden zijn diodes, vermogens-MOSFET's, IGBT's en thyristors; als materiaal worden Si, SiC en GaN gebruikt.
Japanse benaming: パワー半導体
“Vermogenshalfgeleider (vermogenscomponent)” komt voor in 55 oefenvragen uit 15 onderwerpen, bijv. Vermogenshalfgeleiders, Epitaxiale groei, Verbindingshalfgeleiders.
Vermogenshalfgeleiders (vermogenscomponenten) zijn de halfgeleidercomponenten waarmee elektrische energie wordt omgezet en geregeld. Bij gelijkrichting van wisselstroom naar gelijkstroom, in een omvormer die gelijkstroom in wisselstroom omzet, in een DC-DC-omvormer die de spanning verandert en bij het aandrijven van motoren schakelen ze als schakelaar de stroom aan en uit. Logica- en geheugen-IC's verwerken kleine signalen bij voedingsspanningen rond 1 V en hebben hun integratiedichtheid door schaalverkleining verhoogd. Vermogenshalfgeleiders verwerken daarentegen als richtwaarde spanningen van enkele tientallen volt tot enkele kilovolt en stromen van enkele ampère tot duizenden ampère. Om een hoge spanning te blokkeren is een dikke, zwak gedoteerde driftlaag nodig; daarom zijn de meeste verticaal opgebouwd en loopt de stroom van de bovenkant van de chip naar de achterkant. Ze worden geleverd als discrete halfgeleider, met één component per behuizing, of als vermogensmodules die meerdere chips op een isolerend substraat combineren om grote stromen te verwerken.
Belangrijkste soorten
Diodes hebben geen stuuraansluiting en worden gebruikt voor gelijkrichting en als vrijloopdiode in omvormers; naast de pn-junctiediode is er de Schottky-barrièrediode, die vrijwel geen sperherstel heeft. Vermogens-MOSFET's geleiden alleen met meerderheidsladingsdragers en schakelen daardoor snel; in silicium worden ze vooral tot enkele honderden volt in voedingen gebruikt. IGBT's zijn bipolaire componenten met een MOS-gate, waarvan de geleidbaarheidsmodulatie de aan-spanning ook bij een hoge doorslagspanning laag houdt; in silicium zijn ze in het bereik van ongeveer 600 V tot 6,5 kV de belangrijkste schakelaar in omvormers van elektrische voertuigen, treintractie en industriële motoraandrijvingen. Thyristors zijn pnpn-componenten met vier lagen die, eenmaal via de gate ontstoken, blijven geleiden tot de stroom onder de houdstroom zakt; ze worden gebruikt voor fasesturing van wisselstroom en voor de omzetting van zeer hoge spanningen en stromen, zoals bij hoogspanningsgelijkstroomtransport (HVDC).
Materialen: Si, SiC en GaN
Silicium (Si) is nog steeds het meest gebruikte materiaal, dankzij grote wafers en een volwassen, goedkope productie. Siliciumcarbide (SiC, bandgap ongeveer 3,3 eV) en galliumnitride (GaN, ongeveer 3,4 eV) zijn elk een halfgeleider met brede bandgap, met een doorslagveld dat ongeveer tien keer zo groot is als dat van silicium. Dezelfde spanning kan daardoor met een dunnere, sterker gedoteerde driftlaag worden geblokkeerd, wat de aan-weerstand en de schakelverliezen sterk verlaagt. SiC wordt vooral gebruikt als MOSFET's en Schottkydiodes vanaf de klasse van 600 V, in omvormers van elektrische voertuigen, snelladers en zonne-omvormers. GaN-componenten zijn meestal laterale HEMT's op siliciumsubstraten en worden tot enkele honderden volt gebruikt waar snel schakelen voordeel oplevert, zoals in compacte netadapters en servervoedingen.
Verliezen en belangrijkste toepassingen
De verliezen bestaan uit geleidingsverliezen door de spanningsval in de aan-toestand en schakelverliezen door de overlap van spanning en stroom bij elke overgang. Het geleidingsverlies is bij een MOSFET het kwadraat van de stroom maal de aan-weerstand, en bij een IGBT of diode ongeveer de aan-spanning maal de stroom; het schakelverlies is de energie die per overgang verloren gaat maal de schakelfrequentie. Alle verliezen worden warmte, dus zijn behuizingen met een lage thermische weerstand en goede koeling nodig om de junctietemperatuur onder de nominale waarde te houden (bij silicium doorgaans 150 tot 175 °C). Belangrijke toepassingen zijn tractieomvormers en boordladers in elektrische en hybride voertuigen, schakelende voedingen voor pc's en servers, treintractie, omvormers in huishoudtoestellen zoals airconditioners, industriële motoraandrijvingen, de omzetting van zonne- en windenergie en installaties voor energietransport.
Nu oefenen: vragen over Vermogenshalfgeleider (vermogenscomponent)
AOmdat het kritieke doorslagveld ca. 10 keer zo hoog is als dat van Si
BOmdat de bandkloof kleiner is dan die van Si
COmdat de wafers goedkoper zijn dan Si en gemakkelijker in grotere diameters te maken zijn
Antwoord en toelichting tonen
Antwoord: A. Omdat het kritieke doorslagveld ca. 10 keer zo hoog is als dat van Si
SiC heeft een grote bandkloof van ca. 3,3 eV en een kritiek doorslagveld dat ca. 10 keer dat van Si is (ca. 3 MV/cm). Bij dezelfde doorslagspanning kan de driftlaag ca. 1/10 zo dik zijn en de onzuiverheidsconcentratie ca. 100 keer zo hoog, zodat de weerstand van de driftlaag theoretisch honderden malen kleiner is. De warmtegeleiding is ook ca. 3 keer die van Si en het is bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het steeds vaker wordt toegepast in onder meer EV-omvormers. Wafers zijn daarentegen duurder dan Si en de overgang naar grotere diameters (8 inch) is halverwege de jaren 2020 nog gaande.
CAlleen het verlies door lekstroom in de standby-toestand
Antwoord en toelichting tonen
Antwoord: B. Schakelverlies
Schakelverlies ontstaat doordat spanning en stroom op het moment van omschakelen tegelijk aanwezig zijn, en is “verlies per schakeling × schakelfrequentie”. Bij een 10 keer zo hoge frequentie is ook het schakelverlies 10 keer zo groot. Het geleidingsverlies is daarentegen I²R tijdens de aan-toestand bij een MOSFET of ongeveer verzadigingsspanning × stroom bij een IGBT, en hangt niet van de frequentie af. Omdat spoelen en condensatoren kleiner kunnen worden bij een hogere frequentie, is de trend in de laatste jaren hogere frequenties te realiseren met SiC en GaN, die weinig schakelverlies hebben.
Veelgestelde vragen
Hoe verschillen vermogenshalfgeleiders van logische IC's?
Logica- en geheugen-IC's verwerken en bewaren informatie bij lage spanning en integreren enorme aantallen transistors. Vermogenshalfgeleiders verwerken het vermogen zelf en schakelen spanningen van enkele tientallen volt tot enkele kilovolt en grote stromen. Om hoge spanningen te blokkeren zijn ze meestal verticaal opgebouwd met een dikke driftlaag, en ze worden als losse componenten of in modules gebruikt.
Welke soorten vermogenshalfgeleiders zijn er?
De belangrijkste zijn diodes voor gelijkrichting en vrijloop (pn-junctiediodes en Schottkydiodes), vermogens-MOSFET's voor snel schakelen, IGBT's voor hoge spanningen en grote stromen, en thyristors voor de omzetting van zeer hoge spanningen en stromen. De keuze hangt af van de spanning, de stroom en de schakelfrequentie van de toepassing.
Waarom zijn vermogenshalfgeleiders van SiC en GaN beter dan die van silicium?
SiC en GaN hebben een brede bandgap en een doorslagveld dat ongeveer tien keer zo groot is als dat van silicium, zodat ze dezelfde spanning met een veel dunnere driftlaag blokkeren. Dat verlaagt de aan-weerstand en de schakelverliezen, waardoor voedingen en omzetters efficiënter en kleiner worden; substraten en componenten zijn wel nog duurder dan bij silicium.
“Vermogenshalfgeleider (vermogenscomponent)” in de toelichting
De gate van een vermogenscomponent heeft een grote capaciteit in de orde van enkele nF en moet voor snel schakelen in korte tijd met een stroom van enkele A worden op- en ontladen.
GaN-vermogenscomponenten kunnen snel schakelen met enkele honderden kHz tot MHz, zodat transformatoren en condensatoren in opladers klein kunnen worden en compacte opladers met hoog vermogen zijn verwezenlijkt waarvan het volume bij hetzelfde vermogen ongeveer gehalveerd is.
Vermogenshalfgeleiders zijn componenten die door schakelen groot elektrisch vermogen efficiënt regelen en omzetten, bijvoorbeeld bij de aandrijving van motoren en spanningsomzetting in voedingen, en omvatten diodes, MOSFET’s, IGBT’s en thyristors.