Efter många års utvecklingsarbete i forskarlabben har kiselkarbid nu plötsligt dykt upp på agendan hos en mängd industriföretag i Sverige.  De lockande materialegenskaperna – som hög effekttäthet, hög temperaturtålighet och låga effektförluster även vid relativt hög frekvens – har varit kända länge. Det som gör tekniken intressant nu är att det äntligen börjat dyka upp komponenter som går att testa och utvärdera.

– Vi har provat en massa komponenter från hela världen och en del är riktigt bra, säger Adolf Schöner på forskningsinstitutet Acreo.

Än så länge finns de allra flesta varianter av SiC-komponenter enbart i ingenjörsprover. Den enda komponent som är kommersiellt tillgänglig är Schottkydioden, som med fördel används för effektfaktorkorrigering (PFC). Den har klart lägre switchförluster än motsvarande komponent i kisel och kan användas för att switcha vid betydligt högre frekvenser.

– PFC-dioder blir förmodligen de första komponenter i kiselkarbid som vi kommer att använda, men först måste vi utvärdera dem. I första hand kommer dioderna att ta en plats i våra manuella svetsmaskiner, säger Martin Svensson på Esab i Laxå, som tillverkar elektriska svetsar.

Något tidsperspektiv på när de första dioderna tar plats i produkter från Esab vill Martin Svensson inte ge. Priset måste ner först. Samtidigt skapar komponenterna fördelar som innebär att hela systemkostnaden måste analyseras noggrant.

– Dioder i kiselkarbid är effektivare. Det kan göra att det exempelvis går att använda en mindre fläkt, vilket också påverkar systempriset, förklarar Martin Svensson.

Amerikanska Cree och tyska Infineon tillverkar Schottkydioder i kiselkarbid.

Svenska Transic tillverkar också SiC-komponenter, fast bipolära transistorer som hanterar 1200 V och upp till 20 A. För att kunna dra nytta av den högre temperaturen som kiselkarbid klarar har Transic utvecklat en modul som packar sex krafttransistorer och sex Schottkydioder i kiselkarbid. Modulen ska användas i ett forskningsprojekt kring hybridbilar.

– Våra transistorer passar i dagsläget bäst i nya teknikområden som inte hanterar så stora strömmar. Inom oljeborrning ser vi en bra chans. Där är temperaturen för hög för kisel. Även flygtillämpningar är intressanta, eftersom våra komponenter klarar hög kosmisk strålning och kräver mindre kylning, säger Anders Lindgren på Transic i Kista.

Att det blir nya teknikområden som först anammar kiselkarbidkomponenter ter sig naturligt. För det krävs mycket nytänk om en tillämpning verkligen ska kunna dra nytta av alla de goda egenskaper som kiselkarbid kan bidra med till ett system. Högre temperaturtålighet är bra, men tål inte kringelektroniken högre värme ger det ingen bonuseffekt.

– Den stora vinsten med kiselkarbid är inte att byta komponenter ett-mot-ett. Istället måste man konstruera om så att kretskortet hamnar i en annan miljö. Kanske måste man gå tillbaka och konstruera mer som förr då man använde sig mer av separata arbetstemperaturområden, säger Mats Orrhede på Bombardier i Västerås.

Tågtillverkaren Bombardier är ett av flera företag i Sverige som har fått upp ögonen för kiselkarbid på sistone. Elsvetstillverkaren Esab, högspänningsaggregattillverkaren Alstom och fordonselektroniktillverkaren Actia är några andra.

Gemensamt för dem alla är att ingen anser att det finns kiselkarbidkretsar som de verkligen kan dra nytta av idag. Alstom och Actia har behov av komponenter som klarar några hundra ampere – idag är maximal strömtålighet 20 A –  medan Bombardier behöver komponenter som klarar högre spänning. Idag finns det visserligen SiC-kretsar som klarar 1,7 kV och 3,3 kV, men det handlar om forskningsnära komponenter vars strömtäthet inte är riktigt stabil.

Trots detta ser alla stor potential i kiselkarbiden och står redo att börja testa komponenter internt och utvärdera tekniken kostnadsmässigt.

Acreo vill ha kompetenscentrum Forskningsinstitutet Acreo ser kiselkarbid som en möjlighet för Sverige. Här finns en  kiselkarbidkompetens av internationell klass på material- och komponentnivå.  Högskolor som KTH, LiTH, Chalmers och LTH bedriver forskning inom kiselkarbid. Och här finns andra aktörer, som substrattillverkaren Norstel och komponenttillverkaren Transic. Men fortfarande finns det ett gap mellan den svenska industrin och akademin, som Acreo hoppas kunna överbrygga.   – Idag är våra industriella kunder i huvudsak från Japan. Japanska företag är intresserade av vår kunskap och det är därifrån vi drar in pengar, men jag tycker att våra kunskaper borde vara intressanta även för svenska företag på systemnivå, säger Christian Vieider på Acreo. Hans önskan är att skapa ett marknadsdrivet Center of Excellence inom kiselkarbid, med engagerade forskare och flera industriföretag samt finansiering av Vinnova och Energimyndigheten. Just nu jobbar Acreo målmedvetet med att knyta tills sig industripartners. – En viktig detalj just nu är att man måste anpassa komponenterna efter en tillämpning. Det är en grund till att vi vill ha en centrumbildning kring detta område. Vi vill samla kunskap inom material, komponenter och system och skapa gemensamma projekt där vi tittar på att utveckla komponenter för speciella applikationer, säger Adolf Schöner på Acreo.

– Våra aktiviteter kring kiselkarbid fokuserar på att komma till en slutsats om vilken sorts halvledare som kommer att vara lämplig för oss att använda. Idag använder vi i princip uteslutande IGBT:er i kisel men det är på intet sätt självklart bäst för oss  att använda IGBT:er i kiselkarbid i framtiden, säger Mats Orrhede.

Orsaken är att kiselkarbid har en högre tröskelspänning än kisel. Det betyder att kiselkarbid får större förluster än kisel när spänningen bara ligger runt någon kilovolt. Vid så låga spänningar kommer aldrig IGBT:er i kiselkarbid att användas. Däremot kommer en MOSFET i kiselkarbid att ha lägre förluster än IGBT i kisel vid dessa spänningar, vilket är intressant.

På sikt kan man dock tänka sig att det går att utveckla IGBT:er i kiselkarbid som kan klara uppåt tio kilovolt. Dessa får i så fall en förhållandevis låg effektförlust och kan tänkas vara intressanta i exempelvis tågtillämpningar.

– För oss är kiselkarbidens höga verkningsgrad och höga temperaturtålighet väldigt intressant. Dessutom ger den möjlighet att höja arbetsfrekvensen. Idag är arbetsfrekvensen begränsad av kisel-IGBTns förluster, säger Per Ranstad, på Alstom.

Alstom säljer och utvecklar högspänningsaggregat för rökgasreningsanläggningar. Företaget har en FoU-enhet i Växjö, där det bland annat utvecklar högfrekventa likriktare för elektrostatiska filter.

– Vilken typ av komponenter som kommer ut på markanden i framtiden, är ännu inte klart. Flera olika alternativ finns. Det viktiga är att de är effektiva att tillverka och intressanta för en stor marknad så att de kan möta industrins kostnadskrav, säger Per Ranstad.

Tittar man på komponentutvecklingen visar den också på stor aktivitet.  

Amerikanska Cree, som är störst på kiselkarbidhalvledare, har ambitionen att ta fram MOS-komponenter. Idag finns inga sådana tillgängliga. Problemet med MOSFET i kiselkarbid är att det finns defekter i gränslandet mellan oxid och halvledare som gör att komponenterna inte blir stabila och får låg mobilitet.

Cree påstår sig dock ha utvecklat en MOSFET som klarar 1200 V och 20A och som ska  bli tillgänglig i år.  Företaget säger sig också har tagit fram en demonstrator i form av en modul med MOSFET:ar och Schottkydioder i kiselkarbid som klarar 1200V, 100A och 200°C.  Även Transic jobbar med att ta fram kraftfullare komponenter. Nästa steg är att ta fram en bipolär krafthalvledare som klarar mellan 35 och 50 ampere.

Beroende av hur halvledartillverkarna lyckas framåt kan kiselkarbiden komma att skapa helt nya förutsättningar. Kanske måste företagen byta sina nuvarande strömriktararkitekturer till sådana som mer lämpar sig för kiselkarbidhalvledare. För Bombardier, som använder spänningsstyva 2-nivå strömriktare med IGBT:er, kan nya komponentval innebära att hela strömriktartopologin måste ses över. Det handlar om att ta fram ett vitt papper och skissa på nya lösningar.

– Samtidigt är det en stor vinst för oss om det går att öka temperaturen på halvledaren så att enklare kylsystem kan användas. Dagens kylsystem är relativt komplexa med pumpar, värmeväxlare, fläktar och annat. De drar mycket effekt och är underhållskrävande. Kan man göra dem enklare går det att vinna mycket, säger Mats Orrhede.

Ola Aglén på franska Actias svenska utvecklingsavdelning, som bland annat gör styrenheter för växellådor i fordon, pekar också på att det finns annat än elektriska egenskaper som måste utvärderas innan tekniken kan tas i bruk. De mekaniska påkänningarna är också viktiga.

– I växellådan är det stor mekanisk påfrestning. Det är viktigt att ta reda på hur exempelvis bondtrådarna påverkas av vibrationer och hur kapseln påverkas av  högre temperaturer, säger Ola Aglén.

Kapslingen blir en stor utmaning framöver. När väl själva halvledarna kan tillverkas så kommer nästa fas som innebär att utveckla kapslar som gör att det går att ta tillvara SiC-komponenternas alla fördelar.

Läs även: Kiselkarbid vinner kraftkampen