Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Projekt SiC-MILE wird die ersten mittelspannungs-Siliziumkarbid-MOSFET (MV-SiC) Module in Europa für industrielle Antriebe und Traktionssysteme demonstrieren. Da Elektromotoren weltweit die am meisten Energie verbrauchenden Systeme sind, wird das Projekt einen erheblichen Einfluss auf die Energieeinsparung haben. Insbesondere in der Schweiz kann die vorgeschlagene Technologie bis zu 2,5 % des gesamten Energieverbrauchs des Landes einsparen. Die Demonstratoren dieses Projekts umfassen 3,3kV und 6,5kV SiC-Chips und -Module, die in der Si-Halbleiterfabrik bei Hitachi ABB Power Grids (HAPG) in Lenzburg AG hergestellt werden, sowie einen 3,3kV MV 400kW Umrichterdemonstrator, der an der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) in Windisch AG gebaut wird. Diese Demonstratoren werden nicht nur die Basis für die Entwicklung von Produkten mit einem jährlichen Exportvolumen von mehreren Millionen Schweizer Franken sein, sondern auch die Technologieplattform für die Entwicklung von energieeffizienteren Systemanwendungen in der nationalen Leistungselektronik-Industrie bilden und damit der erste europäische Lieferant für die MV-SiC Technologie.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The project SiC-MILE will demonstrate the first MV SiC MOSFET packaging modules in Europe for industrial drives and traction systems. Because electric motors are the single most energy consuming systems of the planet, the project will significantly impact energy saving in Switzerland and worldwide. Particularly in Switzerland, the proposed technology can save up to 2.5% of the total energy consumed in the country. The demonstrators of this project comprises 3.3 and 6.5 kV SiC chips and modules fabricated in the Si semiconductor fab at Hitachi ABB power grids (HAPG) in Lenzburg AG as well as a 3.3 kV MV 400 kW converter demonstrator built at the Fachhochschule Nordwestschweiz in the engineering school in Windisch AG. These demonstrators will not only be the basis for the development of products targeting several millions of Swiss francs in annual exportations, but also be the technology platform enabler for the development of more energy efficient system applications in the national power electronics industry, thus becoming the first European supplier for the MV SiC power electronics industry.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le projet SiC-MILE présentera les premiers modules MOSFET en carbure de silicium moyenne tension (MV-SiC) en Europe destinés aux entraînements industriels et aux systèmes de traction. Les moteurs électriques étant les systèmes les plus énergivores au monde, ce projet aura un impact considérable sur les économies d'énergie. En Suisse notamment, la technologie proposée pourrait permettre d'économiser jusqu'à 2,5 % de la consommation énergétique totale du pays. Les démonstrateurs de ce projet comprennent des puces et des modules SiC de 3,3 kV et 6,5 kV, fabriqués dans l'usine de semi-conducteurs Si de Hitachi ABB Power Grids (HAPG) à Lenzburg AG, ainsi qu'un démonstrateur de convertisseur MV 400 kW de 3,3 kV, construit à la Haute école spécialisée du nord-ouest de la Suisse (FHNW) à Windisch AG. Ces démonstrateurs serviront non seulement de base au développement de produits représentant un volume d'exportation annuel de plusieurs millions de francs suisses, mais constitueront également la plate-forme technologique pour le développement d'applications système plus efficaces sur le plan énergétique dans l'industrie nationale de l'électronique de puissance, faisant ainsi de l'entreprise le premier fournisseur européen de technologie MV-SiC.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Entwicklung energieeffizienter Technologien ist nicht nur ein wichtiges Anliegen im Hinblick auf ein nachhaltiges Wachstum, sondern auch eine wichtige wirtschaftliche Frage in Gesellschaften, die mit steigenden Strompreisen konfrontiert sind. Eine empfohlene Strategie zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Anstrengungen auf die Entwicklung von Technologien zu richten, die in elektronischen Hochleistungsumrichtern eingesetzt werden, da ein erheblicher Teil des weltweiten Stromverbrauchs in diesen Systemen umgewandelt wird und verloren geht. Etwa 40-45 % der weltweiten elektrischen Energie wird in Motoren verbraucht, wobei ein großer Teil davon in Industrie- und Verkehrsanwendungen anfällt. Mittelspannungsstromrichter sind in solchen Anwendungen stark vertreten und stellen somit ein großes Potenzial für globale Energieeinsparungen dar. Als Bausteine für die Leistungselektronik spielen Leistungshalbleiter eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz. Leistungshalbleiter auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) können die Leistungsverluste von Umrichtern im Vergleich zur herkömmlichen Si-Technologie stark reduzieren. Ziel des SiC-MILE-Projekts war es, eine Technologie zu demonstrieren, die die künftige Entwicklung von Mittelspannungs-SiC-MOSFETs, Leistungsmodulen und Bahnstromrichterprodukten ermöglicht, wobei der Schwerpunkt auf den Spannungsklassen 3.3 und 6.5 kV lag. Das Design und die Verarbeitung der 3.3- und 6.5-kV-SiC-Chips sowie das Packaging, die elektrische Bewertung der Chips auf Wafer- und Modulebene und ihre Zuverlässigkeit werden in diesem Bericht ausführlich beschrieben. Darüber hinaus wurde ein spezieller Umrichterprüfstand entwickelt, um die Verluste von Si- und SiC-Leistungsmodulen im realen Umrichterbetrieb mit hochgenauen thermischen und elektrischen Methoden zu charakterisieren. Mit dem SiC-MILE konnten die folgenden Ergebnisse erzielt werden, die mit den vorgeschlagenen Zielen übereinstimmen: Prototypen von 3.3 kV und 6.5 kV SiC-MOSFETs wurden erfolgreich in der Produktlinie von Hitachi Energy hergestellt. Die elektrischen Parameter wurden analysiert. Es wurden TCAD-Simulationen durchgeführt, um das Zellenlayout zu optimieren und die am besten geeigneten Parameter zu finden. Dann wurden die ersten MOSFET-Bauelemente hergestellt. Für die 3.3-kV-Bauelemente wurden zwei Lernzyklen durchgeführt, in denen die Kanalprofile, die Kanallänge und die JTE-Dosis optimiert wurden. Die Vth-Werte liegen leicht gestreut zwischen 2.0V-3.0V. Die Rds,on-Werte liegen zwischen 150mOhm-250 mOhm, und die Leckage liegt bei allen Bauteilen zwischen 1-10 uA. Bei den 6.5kV-MOSFET-Bauelementen lag der Schwerpunkt der Optimierung vor allem auf dem Entwurf der Anschlüsse. Es wurden verschiedene p+-Ringe sowie JTE-Dosen verwendet, um das optimale Bauteil zu finden. Aus den am besten geeigneten Chips wurden Module hergestellt und charakterisiert. Anschließend wurden Si- und SiC-Module bei 3.3 kV und 6.5 kV erfolgreich demonstriert, wobei die elektrische Charakterisierung ihre Eignung für MV-Anwendungen bestätigte. Darüber hinaus wurde am FHNW ein Demonstrator eines 3,3-kV-Si- und SiC-Mittelspannungswandlers gebaut, der über die Möglichkeit zur thermischen und elektrischen Charakterisierung von Energieverlusten über einen weiten Frequenzbereich und unterschiedliche Gate-Widerstände verfügt. Das Ziel war es, die Umrichterverluste unter einer Reihe von Parametern zu extrahieren, die dann für verschiedene Zugtopologien und Systeme verwendet werden können. Die charakterisierten Energieverluste wurden dann zur Kalibrierung eines Eisenbahn-SiC-Wandlers mit unterschiedlichen Topologien, Frequenzen, Kühltemperaturen und Fahrzyklen verwendet. Im Vergleich zu einem Si-Umrichter weist der SiC-Umrichter aufgrund der geringeren Energieverluste einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Belastbarkeit über einen breiten Frequenzbereich auf. Dies ermöglicht nicht nur den Bau kleinerer Systeme aufgrund des geringeren Kühlungs- und Magnetisierungsbedarfs, sondern auch eine größere autonome Reichweite in Zügen mit Batterien. Die 6.5-kV-SiC-Module wurden zwar hergestellt, sind aber bei Tests im Umrichter gescheitert, so dass dessen Entwicklung bis zur Produktqualifikation fortgesetzt wird. Als weiteres wichtiges Ergebnis dieses Projekts haben wir die ersten detaillierten LCA-Studien zu SiCLeistungshalbleitern durchgeführt, die gezeigt haben, dass die neue Technologie im Vergleich zu Si-Mainstream sowohl in der Herstellungs- als auch in der Nutzungsphase deutlich geringere äquivalente CO2-Emissionen während des Lebenszyklus aufweist. Die Nutzungsphasen während der Lebensdauer haben den größten Anteil an der deutlich geringeren CO2-Bilanz von SiC. Bemerkenswert ist, dass die Substrat-Grauenergie pro Modul bei SiC zwar höher ist als bei Si, die Front-End-Grauenergie jedoch deutlich niedriger ist, da die Stromdichte von SiC-Chips höher ist und SiC-Module keine zusätzliche antiparallele Si-Diode benötigen. Schließlich konnten wir nachweisen, dass die Energieverluste in SiC-Traktionsumrichtern im Vergleich zu den derzeit verfügbaren kommerziellen Technologien auf Si-Basis um 40 bis 75 % geringer sind, je nach Antriebszyklus und Topologiebedingungen. Wenn man von 50 % geringeren Verlusten ausgeht, würde dies einer Energieeinsparung von 13 GWh/Jahr in der Schweiz entsprechen, was fast der gesamten Energie entspricht, die von den schweizerischen Kernkraftwerken Beznau (KKB) und Gösgen (KKB) zusammen pro Jahr erzeugt wird.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The development of energy efficient technologies is not only a major concern for sustainable growth, but also an important economic issue in societies facing increasing electricity energy prices. A recommended strategy to achieve such a goal is to direct efforts towards the development of technologies used in high-power electronic converters since a significant part of global electrical energy consumption is converted and lost in those systems. Since about 40-45% of the global electrical energy is consumed in motors, with large part of it concentrated into industrial and transport applications. Medium voltage power converters are strongly present in such applications, thereby posing a great potential for global energy saving. As the building blocks for the power electronics converters, power semiconductors play a crucial role into improving energy conversion efficiency. Power semiconductors based on Silicon carbide (SiC) can strongly reduce the power losses of converters compared to mainstream Si technology. The SiC-MILE project aimed to demonstrate a technology to enable the future development of medium voltage (MV) SiC MOSFETs, power modules and railway converter products, focusing on the 3.3 and the 6.5 kV voltage classes. The design and processing of the 3.3 and 6.5 kV SiC chips, as well as the packaging, the electrical evaluation of the chips on wafer and module level and their reliability have been detailed in this report. Furthermore, the construction of a dedicated converter test bench to characterize the Si and SiC power modules losses under real converter operations with highly accurate thermal and electrical methods has been developed. The SiC-MILE was able to achieve the following results, which are in accordance to the proposed deliverables: Prototypes of 3.3kV and 6.5kV SiC MOSFETs were successfully manufactured in the product line of Hitachi Energy. The electrical parameters were analyzed. TCAD simulations were performed to optimize the cell layout and to find the most suitable parameters. Then the first MOSFET devices were fabricated. For the 3.3kV devices two learning cycles were concluded, where the channel profiles, channel length and JTE dose was optimized. The Vth values are slightly dispersed between 2.0V-3.0V. The Rds,on values are between 150mOhm-250mOhm, and the leakage is for all devices between 1-10 uA. For the 6.5kV MOSFET devices the focus of the optimization was mainly on the termination design. Different p+ rings as well as JTE doses were used to find the most optimum device. Modules were fabricated from the most suitable dies and were characterized. It was then successfully demonstrated Si and SiC modules at 3.3 kV and 6.5 kV, with electrical characterization validating their suitability for MV applications. Further, a demonstrator of a 3.3kV Si and SiC MV converter has been built at the FHNW, including capabilities for thermal and electrical characterization of energy losses over a wide range of frequencies and different gate resistance. The goal was to extract the converter losses under a range of parameters that can then be applied for different train topologies and systems. The characterized energy losses where then used to calibrate a railway SiC converter using different topologies, frequency operation, cooling temperatures and drive cycles. In comparison to a Si railway converter, the SiC converter exhibits higher efficiency and load ability over a wide range of frequencies because of the lower energy losses. This allows to not only build smaller systems because of reduced cooling and magnetics needs, but also to allow longer autonomous range in trains featuring batteries. Whereas the 6.5kV SiC modules have been fabricated, they have failed during tests in the converter, and its development will continue further towards product qualification. As a further important result of this project, we have performed the first detailed LCA studies of SiC power semiconductors, which have shown that the new technology compared to Si mainstream exhibits significantly lower equivalent CO2 emission during lifecycle, in both manufacturing and usage phases. The usage phases during lifetime has the highest contribution to the significant lower CO2 footprint of SiC. Notably, although the substrate grey energy per module of SiC is higher than Si, the front-end grey energy is significantly lower because the current density of SiC chips is higher, and SiC modules do not require an extra Si anti parallel diode. And finally, we were able to demonstrate a staggering reduction in energy losses between 40 and 75% in SiC traction converters compared to currently available Si based commercial technologies, depending on the drive cycle and topology conditions. If a condition of 50% lower losses is considered, this would correspond to a 13 GWh/yr electricity energy saving in Switzerland, which corresponds to almost the total energy generated by the Swiss Beznau (KKB) and Gösgen (KKB) nuclear power plants combined per year.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le développement de technologies à haut rendement énergétique n'est pas seulement une préoccupation majeure pour la croissance durable, mais aussi une question économique importante dans les sociétés confrontées à l'augmentation des prix de l'énergie électrique. Une stratégie recommandée pour atteindre cet objectif consiste à orienter les efforts vers le développement de technologies utilisées dans les convertisseurs électroniques de haute puissance, étant donné qu'une part importante de la consommation mondiale d'énergie électrique est convertie et perdue dans ces systèmes. En effet, environ 40 à 45 % de l'énergie électrique mondiale est consommée par les moteurs, dont une grande partie est concentrée dans les applications industrielles et de transport. Les convertisseurs de puissance à moyenne tension sont très présents dans ces applications, ce qui représente un grand potentiel d'économie d'énergie au niveau mondial. En tant qu'éléments constitutifs des convertisseurs électroniques de puissance, les semi-conducteurs de puissance jouent un rôle crucial dans l'amélioration de l'efficacité de la conversion de l'énergie. Les semi-conducteurs de puissance basés sur le carbure de silicium (SiC) peuvent réduire considérablement les pertes de puissance des convertisseurs par rapport à la technologie Si classique. Le projet SiC-MILE visait à démontrer une technologie permettant le développement futur de MOSFET SiC moyenne tension (MV), de modules de puissance et de convertisseurs ferroviaires, en se concentrant sur les classes de tension 3.3 et 6.5 kV. La conception et le traitement des puces SiC de 3.3 et 6.5 kV, ainsi que l'emballage, l'évaluation électrique des puces au niveau des plaquettes et des modules et leur fiabilité ont été détaillés dans ce rapport. En outre, la construction d'un banc d'essai de convertisseur dédié pour caractériser les pertes des modules de puissance Si et SiC dans des opérations de convertisseur réelles avec des méthodes thermiques et électriques très précises a été développée. Le SiC-MILE a permis d'obtenir les résultats suivants, qui sont conformes aux résultats attendus : Des prototypes de MOSFET SiC de 3.3 kV et 6.5 kV ont été fabriqués avec succès. Les paramètres électriques ont été analysés. Des simulations TCAD ont été réalisées pour optimiser la disposition des cellules et trouver les paramètres les plus appropriés. Les premiers dispositifs MOSFET ont ensuite été fabriqués. Pour les dispositifs de 3.3 kV, deux cycles d'apprentissage ont été menés à bien, au cours desquels les profils et la longueur des canaux ainsi que la dose de JTE ont été optimisés. Les valeurs de Vth sont légèrement dispersées entre 2.0V et 3.0V. Les valeurs de Rds,on sont comprises entre 150mOhm-250mOhm, et la fuite est pour tous les dispositifs comprise entre 1 et 10 uA. Pour les dispositifs MOSFET de 6,5 kV, l'optimisation s'est principalement concentrée sur la conception de la terminaison. Différents anneaux p+ ainsi que des doses JTE ont été utilisés pour trouver le dispositif le plus optimal. Des modules ont été fabriqués à partir des matrices les plus appropriées et ont été caractérisés. Des modules Si et SiC ont ensuite été démontrés avec succès à 3.3 kV et 6.5 kV, la caractérisation électrique validant leur adéquation aux applications MV. De plus, un démonstrateur de convertisseur moyenne tension 3,3 kV Si et SiC a été construit au FHNW, qui a la capacité de caractériser thermiquement et électriquement les pertes d'énergie sur une large gamme de fréquences et différentes résistances de grille. L'objectif était d'extraire les pertes du convertisseur en fonction d'une gamme de paramètres qui peuvent ensuite être appliqués à différentes topologies de train et à différents systèmes. Les pertes d'énergie caractérisées ont ensuite été utilisées pour calibrer un convertisseur SiC ferroviaire en utilisant différentes topologies, fréquences de fonctionnement, températures de refroidissement et cycles d'entraînement. Par rapport à un convertisseur ferroviaire Si, le convertisseur SiC présente un rendement et une capacité de charge plus élevés sur une large gamme de fréquences en raison des pertes d'énergie plus faibles. Cela permet non seulement de construire des systèmes plus petits grâce à la réduction des besoins en refroidissement et en magnétisme, mais aussi d'augmenter l'autonomie des trains équipés de batteries. Alors que les modules SiC de 6,5kV ont été fabriqués, ils ont échoué lors des tests dans le convertisseur, et son développement se poursuivra jusqu'à la qualification du produit. Autre résultat important de ce projet, nous avons réalisé les premières études ACV détaillées sur les semi-conducteurs de puissance en SiC, qui ont montré que la nouvelle technologie, comparée au Si traditionnel, présente des émissions équivalentes de CO2 nettement inférieures pendant le cycle de vie, tant dans la phase de fabrication que dans la phase d'utilisation. Les phases d'utilisation pendant la durée de vie contribuent le plus à la réduction significative de l'empreinte CO2 du SiC. Il convient de noter que, bien que l'énergie grise du substrat par module de SiC soit supérieure à celle du Si, l'énergie grise de l'étage d'entrée est nettement inférieure car la densité de courant des puces SiC est plus élevée et les modules SiC ne nécessitent pas de diode antiparallèle Si supplémentaire. Enfin, nous avons pu démontrer une réduction stupéfiante des pertes d'énergie entre 40 et 75 % dans les convertisseurs de traction en SiC par rapport aux technologies commerciales basées sur le Si actuellement disponibles, en fonction du cycle d'entraînement et des conditions topologiques. Si l'on considère une réduction de 50% des pertes, cela correspondrait à une économie d'énergie électrique de 13 GWh/an en Suisse, ce qui correspond à la quasitotalité de l'énergie produite par les centrales nucléaires suisses de Beznau (KKB) et de Gösgen (KKB) combinées par an.
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