GaN power electronicsAutomotive

10 min

Nieuwe vermogen-elektronica maakt elektrische wagens efficiënter en goedkoper

Het Europese project HiPERFORM zet brede-bandgap-materialen in om de volgende generatie vermogen-elektronika voor elektrische wagens te maken.

Scroll

Een groot consortium van industriële en academische spelers zal voor de eerste keer in Europa siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) introduceren in de vermogen-elektronische circuits en laadinfrastructuur van elektrische en hybride wagens. Op die manier hopen ze de actieradius van de wagens op te drijven, en het energieverbruik en de kostprijs naar beneden te halen. Steve Stoffels, projectmanager bij imec, en Stefaan Decoutere, programma-directeur GaN-technologie bij imec, leggen uit wat het project inhoudt, en welke rol imec daarin speelt. 

Europese spelers slaan handen in elkaar voor efficiëntere elektrische wagens

Met een aandeel van 23% draagt het Europese vervoerssysteem aanzienlijk bij aan de uitstoot van broeikasgassen, en daarmee aan de klimaatopwarming. De auto-industrie staat dan ook voor de grote uitdaging om de uitstoot van CO2 terug te dringen – één van de belangrijkste broeikasgassen die door auto’s worden uitgestoten. De grootschalige invoering van betaalbare en energie-efficiënte elektrische wagens is dan ook een belangrijke maatregel om de ambitieuze CO2-doelstellingen te kunnen behalen, en een gedecarboniseerd vervoerssysteem mogelijk te maken.  

In deze context werkt een groot aantal Europese bedrijven en onderzoeksinstituten – waaronder imec – samen om voor de eerste keer brede-bandgap-technologieën te introduceren in de vermogen-elektronische circuits en laadinfrastructuur van elektrische wagens.

Binnen het HiPERFORM-project willen ze daarmee de energieverliezen en afmetingen van deze vermogen-circuits kleiner maken. Wanneer bijvoorbeeld 2% van de wagens deze nieuwe technologieën zouden gebruiken, dan zou dat een directe energiebesparing van 12,83TWh per jaar kunnen opleveren. Deze geavanceerde vermogen-elektronische technologieën zullen niet alleen tot een grotere actieradius en lager energieverbruik leiden. Verwacht wordt dat ze ook zullen bijdragen tot een lagere kostprijs van de elektrische wagens. 

Waarom materialen met een brede-bandgap?

Binnenin de elektrische wagen zorgen efficiënte vermogen-elektronische circuits voor de conversie van elektrische energie naar verschillende spanningsniveaus, of van wisselstroom (AC) naar gelijkstroom (DC) of omgekeerd. Deze circuits vind je terug in verschillende onderdelen van de elektrische wagen. Zo converteren ze de wisselstroom die uit het laadpunt of stopcontact komt naar een gelijkstroom die compatibel is met de batterij, brengen ze hoge vermogens van de batterij over naar de elektromotor, of converteren en verdelen ze het vermogen naar de verwarmings-, koelings- en verlichtingssystemen binnenin de wagen. Vermogen-elektronische circuits zijn ook nodig in de testsystemen van de aandrijflijn – systemen waarmee de batterijen en elektromotoren op een efficiënte manier kunnen worden getest. 

elektrische auto's steunen op efficiente vermogencircuits

Elektrische auto's maken veelvuldig gebruik van vermogencircuits. Wat als we die beter kunnen maken door nieuwe materialen te gebruiken? (bv. SiC en GaN)

Vermogen-componenten zoals schakelaars en invertoren vormen het hart van deze vermogen-elektronische circuits. Vandaag worden deze componenten nog uit standaard Si halfgeleidermateriaal gemaakt. Maar doorheen de jaren werden geleidelijk materialen met een brede bandgap ingevoerd, zoals SiC en GaN, die het voor deze toepassingen veel beter doen dan Si. Vermogen-elektronische componenten die uit deze materialen gemaakt zijn, kunnen veel sneller schakelen en werken bij hogere temperaturen, wat leidt tot een hogere energie-efficiëntie in elektrische motoren en hybride systemen. Door deze unieke eigenschappen kunnen ook de andere componenten van het vermogen-circuit kleiner gemaakt worden, zoals de koelingselementen en passieve componenten – wat op zijn beurt leidt tot compactere en lichtere vermogen-elektronische systemen.

De partners van het HiPERFORM-project zullen deze brede-bandgap-materialen gebruiken om efficiënte en betrouwbare vermogen-componenten te ontwikkelen, en te introduceren in de aandrijflijn, de oplaadinfrastructuur en testsystemen van de volgende generatie elektrische en hybride wagens. Zowel SiC als GaN worden onder de loep genomen. Omdat SiC bij hogere spanningen kan werken dan GaN, zal dit materiaal waarschijnlijk worden ingezet voor de meest ‘veeleisende’ toepassingen, zoals de aandrijflijn van de wagen.

Hoe draagt imec bij?

Imec richt zich op de studie van nieuwe materialen en fabricageprocessen die moeten toelaten om de betrouwbaarheid van GaN-schakelaars op te drijven en hun kostprijs te verlagen

Concreet gaat het over de ontwikkeling van nieuwe substraatmaterialen en bijhorende epitaxiale processen voor de groei van GaN, en – samen met Fraunhofer FEP – over efficiëntere manieren om de GaN-bufferlagen neer te zetten.

Poly-AlN-substraten voor een hogere betrouwbaarheid 

Betrouwbaarheid is essentieel voor de auto-industrie. Voor vermogen-elektronische componenten vertaalt zich dat in hoge doorslagspanningen van 1,2kV. Maar de huidige componenten op basis van GaN – die typisch gemaakt worden op Si-substraten omwille van de lage-kostperspectieven – kunnen niet werken bij spanningen hoger dan 650V.

Deze beperking heeft te maken met de roostermismatch tussen Si en GaN, en, zelfs nog meer, met de mismatch in thermische uitzetting tijdens de groei of afkoeling. Dat laatste speelt een erg belangrijke rol omwille van de hoge temperaturen waarbij de GaN-buffer gegroeid wordt. Om voor deze mismatch te compenseren, worden er bufferlagen (gebaseerd op (Al)(Ga)N) gegroeid tussen Si en GaN, die dienst doen als stress-compensatielagen. Hoe dikker deze bufferlagen, hoe groter de doorslagspanning.

Maar voor 200mm GaN-op-Si is de dikte waarmee de bufferlagen gegroeid kunnen worden, beperkt. Bij grotere diktes kunnen breuken in de AlN/GaN-film en buiging van de wafer een grote dichtheid aan defecten genereren. Bij het mechanisch behandelen van de wafers kan dat leiden tot verlies van opbrengst. En dat legt een beperking op aan de maximale dikte en dus aan de doorslagspanning van de buffer. Voor 200mm GaN-op-Si is het daarom een hele uitdaging om doorslagspanningen boven 650V te bereiken.

Om deze spanningen te verhogen, stelt imec een nieuw substraatmateriaal voor om GaN te groeien: poly-aluminium-nitride (poly-AlN). De thermische uitzettingscoëfficiënt van dit materiaal is beter afgestemd op de thermische uitzettingscoëfficiënt van GaN. Theoretisch kunnen hierop dikkere bufferlagen gegroeid worden – wat kan leiden tot hogere werkspanningen, en dus tot een hogere betrouwbaarheid. Om voordeel te halen uit het poly-AlN-substraat, moet ook het epitaxiale groeiproces worden aangepast ten opzichte van de traditionele processen die voor GaN-op-Si worden gebruikt.

GaN power components on a 200mm poly-AlN substrate.

GaN-vermogen-componenten op een 200mm poly-AlN-substraat

In het kader van het vroegere ECSEL-project PowerBase kon imec al het potentieel van de poly-AlN-substraten aantonen, die geleverd worden door Qromis. Binnen HiPERFORM zullen op deze substraten GaN-buffers tot 1,2kV ontwikkeld worden. Imec heeft al een eigen epitaxiaal-bufferschema ontwikkeld om de buffer op het poly-AlN-substraat te groeien. Met doorslagspanningen van 900-1000V zijn de eerste resultaten alvast erg belovend. De buffer bestaat uit een AlN-nucleatielaag (een template), een AlGaN-overgangslaag en een superrooster-structuur van GaN/AlN.

Graph illustrating high buffer breakdown voltages obtained on poly-AlN substrates with the imec proprietary buffer scheme.

Illustratie van de hoge buffer doorslagspanningen verkregen op poly-AlN-substraten, met het bufferschema ontwikkeld door imec.

Gesputterde AlN-templates en buffers voor een goedkopere productie

Traditioneel worden de lagen van de GaN-buffer gegroeid met de techniek van MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition). Maar dat MOCVD-proces draagt heel wat bij tot de uiteindelijk kostprijs van de GaN-componenten. Daarom ontwikkelt Fraunhofer FEP momenteel een nieuw sputter-systeem om bepaalde lagen van de buffer op een efficiëntere manier te groeien. Imec zal met dit toestel de ontwikkeling van epitaxiale lagen ondersteunen. Verwacht wordt dat deze unieke manier om GaN-bufferlagen te groeien zal toelaten om sneller te groeien, bij lagere temperaturen en op grotere substraten. Er zouden ook minder grondstoffen nodig zijn om de lagen te maken. 

Hoewel nauwkeurige berekeningen van de reële kostenbesparing zullen uitgevoerd worden in de loop van het project, voorspelt een eerste schatting op lange termijn al een kostenbesparing van 40% in vergelijking met de fabricage van bestaande GaN-schakelaars. Het nieuwe systeem zal in eerste instantie gebruikt worden voor het sputteren van de AlN-nucleatielaag. Later zal worden bekeken of ook andere lagen van de buffer met de nieuwe techniek kunnen worden gegroeid. 

De resultaten van het project zullen in de eerste plaats een positieve impact hebben op de volgende generatie hoog-efficiënte elektrische wagens. Daarnaast zullen de resultaten ook de positie van GaN ten opzichte van concurrerende technologieën in de (automotive) markt versterken

 

HiPERFORM ging in mei 2018 van start en heeft een looptijd van drie jaar. Het project wordt gecoördineerd door AVL, Duitsland. HiPERFORM kreeg funding van het ECSEL Joint Undertaking (JU) onder grant agreement No 783174. Deze JU krijgt de steun van het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie, en van Oostenrijk, Spanje, België, Duitsland, Slovakije, Italië, Nederland en Slovenië.

 

Meer weten?

Over Steve Stoffels

Steve Stoffels behaalde in 2001 een M.Sc. (magna cum laude) in toegepaste fysica aan de Technische Universiteit Eindhoven, Eindhoven, Nederland, en in 2010 een doctoraat aan de KU Leuven, België. Momenteel is hij device engineer in imec, Leuven, waar hij zich richt op het onderzoek en de ontwikkeling van hoog-vermogen GaN-technologie. Hij is ook projectmanager voor gesubsidieerde projecten rond GaN. Sinds 2017 is hij lid van de IRPS technische commissie voor brege-bandgap halfgeleiders. 

Over Stefaan Decoutere

Stefaan Decoutere behaalde een M.Sc. in electronic engineering en een doctoraat aan de KU Leuven, België, in 1986 en 1992 respectievelijk. Hij startte in 1987 zijn loopbaan bij imec, waar hij zich richtte op de ontwikkeling van hoge-spannings-BCD-technologieën. Van 1992 tot 1997 was hij verantwoordelijk voor de ontwikkeling van hoge-snelheids BiCMOS- en SiGe HBT-technologieën. In 1998 kwam hij bij imec aan het hoofd van de mixed-signal/RF-technologie-groep. Sinds 2010 leidt hij de technologie-ontwikkelingen van GaN-vermogen-transistoren, en in 2015 werd hij directeur van het programma rond GaN-technologie.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies