Большая маленькая компания CREE

28 ноября 2011 5
К успеху ведет множество путей. Можно ли назвать мирового лидера в сегментах осветительных светодиодов и карбидо-кремниевых (SiC) силовых компонентов маленькой компанией?

О CREE Power

Департамент CREE Power образовался в 2001 г. Сейчас в нем работают 220 специалистов (всего в CREE работают 4500 чел.). Оборот департамента составляет 10% от общего оборота компании, или 876 млн долл. К основным событиям на пути развития департамента можно причислить следующие:
– 2002 г.: первый 600-В коммерческий SiC-диод Шоттки;
– 2002 г.: первый 1200-В коммерческий SiC-диод Шоттки;
– 2007 г.: CREE Power переходит на 100-мм пластины;
– 2009 г.: институт Fraunhoefer создает инвертор с КПД > 98%. В инверторе используются компоненты Power. Создан 10-кВ SiC-MOSFET с максимальным током 10 А, падение напряжения на открытом канале при максимальном токе составляет 4,1 В. MOSFET поставляются под заказ;
– 2002 г.: первый 1200-В коммерческий SiC-диод Шоттки;
– 2010 г.: первый 1700-В коммерческий SiC-диод Шоттки. Про де мон стри рованы 150-мм SiC-пластины;
– 2011 г.: первый коммерческий 1200-В SiC-MOSFET с сопротивлением открытого канала RDS(ON) = 80 мОм. В инверторе с 1200-В SiC-MOSFET и SiC-диодами Шоттки достигнут КПД = 99%!

Отметим два необычных обстоятельства в истории департамента. В CREE никогда не занимались традиционными кремниевыми силовыми приборами. Фактически направление начато с нуля, при этом в компании обошлись собственными силами, хотя сегодня для развития нового бизнеса обычно приобретают небольшую инжиниринговую фирму, имеющую опыт работы в нужном направлении. Второе обстоятельство заключается в том, что инвестиции в производство департамента CREE Power за три года превысили 10 млн долл., при этом в прошлом финансовом году инвестиции в R&D компании составили более 100 млн долл. Поэтому вряд ли стоит удивляться тому, что в области SiC- и GaN-технологических процессов компания имеет более 1500 патентов и более 50 патентов по SiC-MOSFET. Добавим, что CREE первая разработала вертикальный SiC-MOSFET и SiCMOSFET на напряжение более 600 В, вплоть до 10 кВ.


Рис. 1. Области применения силовых ключей

О рынке

В 2012 г. рынок дискретных силовых приборов составит 13,5 млрд долл., из которых 2,5 млрд долл. придется на SiC-компоненты. Помимо CREE силовые SiC-компоненты производят Infi neon, STM, ROHM. Наиболее перспективные сегменты рынка для силовых SiC-приборов: источники питания серверов, телеком, промышленная автоматика, инверторы солнечных батарей. Сюда же отнесем и приложения, где требуется повышенная надежность и (или) работа при повышенной температуре: аэрокосмическая и военная техника, нефтегазовая промышленность; хотя объем этих сегментов не очень велик, их темпы роста впечатляют.
В ближайшие несколько лет возрастет применение силовых SiC-приборов в драйверах электропривода, электромобилях, ветроэнергетике. Сегодня объем рынка силовых полупроводни
ков в этих приложениях составляет 4 млрд долл., а к 2015 г. он достигнет 6 млрд долл.

О силовых SiC-приборах

Ключевое отличие SiC от кремния заключается в том, что ширина запрещенной зоны первого много больше, следствием чего является 10-кратное увеличение напряжения пробоя, а значит, и максимально допустимого напряжения SiC-приборов при прочих равных условиях: геометрических параметрах, легировании и т.д. При напряжениях до 100–200 В Si-MOSFET пока имеют преимущества, но при увеличении напряжения значительно возрастают их цена и сопротивление открытого канала. Поэтому при более высоких напряжениях предпочтительнее выглядят биполярные IGBT, но у них велики коммутационные потери. SiC-приборы имеют преимущества перед IGBT, т.к. коммутационные потери и потери на проводимость в них гораздо ниже. На рисунке 1 показана область применения силовых полупроводников в настоящее время и в ближайшей перспективе. Сегодня силовые SiC-приборы примерно в три раза дороже своих кремниевых собратьев, но неверно сравнивать стоимость только компонентов. Следует провести сравнение на системном уровне, и тогда картина может измениться на обратную. Благодаря уменьшению коммутационных потерь в SiC-приборах уменьшится и размер охладителей, а надобность в снабберных цепочках может и вовсе отпасть. Увеличение частоты коммутации приведет к уменьшению габаритов магнитных устройств преобразователя. Следует отметить лучшую теплопроводность SiC по сравнению с Si и очень малые токи утечки — менее 1 мкА. CREE активно работает и с другим полупроводником — GaN. Ширина запрещенной зоны у GaN даже немного больше, чем у SiC, однако количество дефектов у GaN (109–1010/см2) много больше, чем у SiC (103–104/см2).
Преимуществом GaN является меньшая стоимость, и он используется в качестве подложки в светодиодах CREE. Теоретический предел максимально допустимых параметров SiC-MOSFET превышает 10 кВ по напряжению и 225°С — по температуре перехода. Уже сегодня у CREE есть диоды Шоттки с напряжением выше 10 кВ и 10-кВ SiCMOSFET. Эти компоненты поставляются только под заказ.


Рис. 2. Сравнение КПД SiC-MOSFET и IGBT

Продуктовая линейка CREE

В продуктовой линейке CREE Power входят 600-, 650-, 1200- и 1700-В диоды Шоттки (можно выбрать диоды Шоттки с максимальным током от 1 до 40 А) и 20-А, 1200-В SiC-MOSFET с RDS(ON) = 80 мОм при 25°С. Его заряд затвора QG < 100 нКл, а потери на проводимость менее 2 В при токе 20 А. Это позволяет повысить КПД преобразователя на 2% по сравнению с аналогичным решением на IGBT (см. рис. 2) и увеличить частоту коммутации в 2–3 раза. SiC-MOSFET CREE Power нормально открыты. Это означает, что для них можно использовать те же драйверы, что и для IGBT, при этом потребуется лишь изменить внешний резистор в цепи затвора. Сейчас в CREE Power происходит переход на 150-мм пластины, что приведет к снижению стоимости продукции.

Выводы

Пример CREE еще раз доказывает: чтобы быть успешным, не обязательно поражать мир масштабами деятельности — достаточно найти свою нишу и собрать команду профессионалов. Успех компании, по сути, основан на достижениях в изучении и разработке технологий двух полупроводниковых материалов: SiC и GaN. Однако профессионализм инженеров и понимание рыночных тенденций топ менеджерами превратили маленькую CREE в большую компанию.

Материал подготовил Леонид Чанов.

Комментарии

  • Леонид Чанов:
    19 декабря, 2011
    Интересно мнение тех, кто использовал их MOSFET. Особенно интересно сравнить поведение преобразователя с IGBT
    • DGK:
      16 декабря, 2011
      Мы ставили кришные диоды шоттки на 600 В. Неплохая штука, дребезги уменьшились
      • led:
        18 декабря, 2011
        Мы тоже применяли на 1200 В их диоды. Вроде неплохо все работало
      • Леонид Чанов:
        12 декабря, 2011
        Обещают существенно снизить цены за счет перехода на 150-мм пластины. В принципе развитие силовой электроники сейчас идет за счет появления новых материалов в основном, а не за счет возникновения новых топологий преобразователей или схемотехнических решений по управлению ими
        • Игорь:
          08 декабря, 2011
          Карбид кремний штука хорошая, но дороговато пока еще. Если и правда, удастся снизить цены, будет отлично

          Оставить комментарий