Журнал «Электротехнический рынок» №4-5, июль-октябрь 2021 г.

ТЕМА НОМЕРА
Особенностью карбида кремния также является
многообразие форм кристаллической решетки,
для электроники на практике пока применяются
только варианты 4H и 6H. Карбид кремния обладает
в 3 раза большей теплопроводностью по сравнению
с кремнием. Это обеспечивает лучший отвод
тепла от кристалла.
Технологические проблемы
Человечество использует карбид кремния вот
уже больше века, но… как материал для изготовления
шлифовальных инструментов. В шлифовальных
дисках часто используется карборунд — синтетический
материал, содержащий около 93% SiC.
Из-за того, что карбид кремния представляет
собой очень прочный материал, сопоставимый по
этому параметру с алмазом, его сложно обрабатывать.
Другой проблемой была очистка от примесей.
Да, карборунд производится в больших количествах
и стоит недорого, но попытки наладить выпуск
более чистого карбида кремния сталкивались с
проблемами. В итоге массовое производство приемлемых
по цене мощных МОП-транзисторов из
карбида кремния было налажено только в 2010-х
годах.
–5 В. Данное обстоятельство значительно усложняет
конструкцию драйвера — узла, управляющего
мощным транзистором. И только в ноябре 2020 г.
американская компания UnitedSiC начала серийный
выпуск четвертого поколения МОП-транзисторов
из карбида кремния, у которых напряжение
открытия составляет +12 В, а напряжение закрытия
равно нулю, как у кремниевых транзисторов.
Применение в инверторах
Меньшее удельное напряжение электрического
пробоя у SiC по сравнению с кремнием позволяет
уменьшить размеры транзистора. В свою очередь,
это позволяет увеличить его быстродействие. Также
более высокое быстродействие транзисторов
на карбиде кремния обусловлено тем, что они в
процессе работы не входят в режим насыщения.
На транспорте с электрической тягой, в альтернативной
энергетике, источниках бесперебойного
питания и т. п. часто применяются инверторы, преобразующие
постоянный ток в переменный. Наиболее
громоздкие элементы инверторов — дроссели,
трансформаторы и конденсаторы. Чем выше
рабочая частота инвертора, тем компактнее эти
элементы. Инвертор на кремниевых транзисторах
имеет рабочую частоту не более 50 кГц, транзисторы
на карбиде кремния позволяют создавать
мощные инверторы с рабочей частотой до 150 кГц.
Более низкие токи утечки определяют меньший
нагрев SiC-транзисторов, а это значит, что систему
теплоотвода можно сделать компактной.
Впервые на электротранспорте SiC инвертор
на транзисторах STMicroelectronics был применен
в электромобиле Tesla Model 3, представленном
в 2016 г. Применение инновационных
транзисторов позволило повысить КПД электрооборудования,
что увеличило дальность пробега
от одной зарядки.
Недостатком большинства SiC-транзисторов является
сложность конструкции драйвера для их управления
Еще одной проблемой, характерной для карбида
кремния, является сложность управления изготовленными
из него транзисторами. Кремниевый
МОП-транзистор открывается при подаче на
затвор напряжения от +1 до +4 В относительно
истока, в зависимости от модели. Если на затворе
0 В, то такой транзистор будет находиться в закрытом
состоянии.
Большинство транзисторов, изготовленных из
SiC, управляются следующим образом. Для открытия
транзистора на затвор требуется подать напряжение
от +20 до +25 В относительно истока. А вот
закрытие потребует прикладывания к затвору уже
не нулевого, а отрицательного напряжения, около
Уменьшение размеров электрооборудования
особенно актуально для электробусов. Компактное
электрооборудование на карбиде кремния
позволяет создавать электробусы, имеющие практически
такую же вместимость как их дизельные
аналоги с теми же внешними габаритами.
SiC для цифровой энергетики
Современные транзисторы на карбиде кремния
при комнатной температуре имеют сопротивление
в закрытом состоянии до 350 МОм против
15 МОм у кремниевых аналогов, а максимальное
напряжение между истоком и стоком может достигать
15 кВ. Это позволяет применять такие
транзисторы для коммутации в средневольтных
распределительных сетях постоянного тока. Именно
такие сети будут характерны для «зеленой»
16 № 4-5 (100-101) 2021 | «ЭР» | www.market.elec.ru