ما هي مزايا كربيد السيليكون مقارنة بالسيليكون؟

وصف

تتطور الكهرباء نحو مواد ذات فجوة نطاق واسعة (WBG) مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN). على الرغم من أن السيليكون لا يزال يهيمن على السوق، إلا أن أجهزة SiC وGaN ستولد قريبًا جيلًا جديدًا من الحلول التقنية الأكثر كفاءة.ووفقا لـ Yole Dé، وهي منظمة لأبحاث السوق ومقرها في فرنسا؛ تقدر شركة Veloppement أنه بحلول عام 2025، ستمثل إيرادات أجهزة SiC أكثر من 10% من إجمالي سوق إلكترونيات الطاقة، وستتجاوز إيرادات أجهزة GaN 2%.من بين الموردين المشهورين لمكونات SiC شركة stmicroelectronics (ST)، وCree/Wolfspeed، وRoma، وInfineon، وOn Semiconductor، وMitsubishi Electric.قدمت شركة Cree أول مجموعة تجارية من MOSFET بقوة 900 فولت SiC و MOSFET بقوة 650 فولت Wolfspeed؛ لقد أصدرت كل من شركة Microchip وROHM شرائح MOSFET والثنائيات SiC؛ قدمت شركة Feiling ثمانية أجهزة MOSFET CoolSiC 650V. . . . يمكن أن نرى من هذا أن جميع الشركات المصنعة الكبرى لديها استراتيجيات التصميم والتطوير الخاصة بها في مواد SiC.ما هي ميزة أداء كربيد السيليكون على السيليكون؟لقد كان السيليكون لفترة طويلة مادة أشباه الموصلات الرئيسية في معظم التطبيقات الإلكترونية، ولكن بالمقارنة مع SiC، فهو غير فعال. في الوقت الحاضر، تم اعتماد SiC في العديد من التطبيقات، وخاصة السيارات الكهربائية، لمواجهة تحديات الطاقة والتكلفة لتطوير أجهزة عالية الكفاءة وعالية الطاقة.يتكون SiC من السيليكون النقي والكربون. بالمقارنة مع السيليكون، يتمتع SiC بثلاث مزايا: ارتفاع قوة مجال انهيار الانهيار الجليدي الحرج، والتوصيل الحراري العالي، وفجوة النطاق الأوسع.يحتوي SiC على فجوة نطاق واسعة تبلغ 3 إلكترون فولت (eV)، ويمكنه تحمل تدرج الجهد 8 مرات أكبر من تدرج السيليكون دون حدوث انهيار جليدي. كلما اتسعت فجوة النطاق، قل تيار التسرب عند درجة حرارة عالية وزادت الكفاءة. كلما زادت الموصلية الحرارية، زادت كثافة التيار.

الشكل 1: مزايا أداء كربيد السيليكون مقارنة بالسيليكون

تتمتع ركيزة SiC بقوة مجال كهربائي أعلى، لذلك يمكن استخدام بنية قاعدة أرق، وقد يكون سمكها عُشر سمك الطبقة الفوقية من السيليكون فقط. بالإضافة إلى ذلك، فإن تركيز المنشطات من SiC أعلى مرتين من تركيز السيليكون، وبالتالي يتم تقليل مقاومة سطح الجهاز، كما يتم تقليل فقدان التوصيل بشكل كبير.لقد تم الاعتراف بـ SiC كتقنية يمكن أن تحل محل السيليكون بشكل موثوق. خطط العديد من الشركات المصنعة لوحدات الطاقة ومحولات الطاقة لاستخدام تقنية SiC في خرائط طريق منتجاتهم المستقبلية.تقلل تقنية فجوة النطاق الواسعة هذه بشكل كبير من فقدان التبديل وفقدان التوصيل تحت أحمال محددة، وتحسن إدارة تبديد الحرارة، وتوفر كفاءة غير مسبوقة في استخدام الطاقة. في نظام الطاقة الإلكتروني، يعد تصميم تبديد الحرارة أمرًا مهمًا للغاية، مما يضمن كثافة طاقة عالية ويقلل حجم الدائرة. في هذه التطبيقات، تعتبر SiC مادة شبه موصلة مثالية لأن موصليتها الحرارية تبلغ ثلاثة أضعاف موصلية السيليكون لأشباه الموصلات.تعتبر تقنية SiC مناسبة للمشاريع ذات الطاقة العالية، مثل المحركات والمحركات والعاكسات. يقوم مصنعو المحركات الكهربائية بتطوير دوائر قيادة جديدة لتلبية طلب المحول على تردد تحويل أعلى، واعتماد طوبولوجيا أكثر تعقيدًا وإبداعًا لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).تتطلب أجهزة SiC مكونات خارجية أقل وتخطيط نظام أكثر موثوقية وتكلفة تصنيع أقل. ومع الكفاءة الأعلى والحجم الإجمالي الأصغر والوزن الأخف، يتم تقليل متطلبات التبريد للتصميم الذكي بشكل مماثل.تطبيق كربيد السيليكون

السيارة الكهربائية / السيارة الهجينة

أخذت العديد من شركات تصنيع السيارات زمام المبادرة في طرح السيارات الهجينة والكهربائية في السوق باستخدام مفاهيم الطاقة الجديدة. تحتوي هذه المركبات على أجهزة وأنظمة جديدة، مثل محولات التردد (حتى 300 كيلو واط) لتشغيل المحركات، وشواحن بطاريات السيارة بقدرة 3.6 كيلو واط إلى 22 كيلو واط، والشواحن التحريضية بقدرة 3.6 كيلو واط إلى 22 كيلو واط (الشحن اللاسلكي)، ومحولات التيار المستمر/التيار المستمر حتى 5 كيلو واط، والعاكسات. للأحمال المساعدة مثل مكيفات الهواء وأنظمة التوجيه المعزز.تعد البطاريات ذات الجهد العالي إحدى العقبات الرئيسية أمام تطوير السيارات الهجينة والكهربائية. باستخدام SiC، يمكن لمصنعي السيارات تقليل حجم البطارية والتكلفة الإجمالية للسيارات الكهربائية.بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن SiC يتمتع بأداء جيد في تبديد الحرارة، يمكن للمصنعين أيضًا تقليل تكلفة تبريد أجهزة نقل الحركة. وهذا يساعد على تقليل وزن وتكلفة السيارات الكهربائية.تعد السيارات الكهربائية/المركبات الهجينة أيضًا أحد الأسواق الرئيسية الإستراتيجية لـ SiC لشركة Anson Semiconductor. قال وانغ لي مين، مدير تسويق المنتجات في قسم مخطط إمدادات الطاقة بالشركة، في اجتماع التبادل الإعلامي عبر الإنترنت حول "استراتيجية وخطة أنسون لأشباه الموصلات لكربيد السيليكون" الذي عقد مؤخرًا،تعد السيارة الكهربائية إحدى القوى الدافعة الرئيسية لكربيد السيليكون، حيث تمثل حوالي 60% من إجمالي سعة سوق كربيد السيليكون. أجهزة كربيد السيليكون المستخدمة في المحرك الرئيسي، OBC وDC-DC يمكنها تحسين الكفاءة بشكل كبير، لذلك يمكن أن تزيد من قدرة تحمل المركبات الكهربائية. بناءً على هذه المزايا، في الوقت الحاضر، تقريبًا جميع الشركات المصنعة لعاكس القيادة الرئيسية تأخذ كربيد السيليكون باعتباره اتجاه القيادة الرئيسي.

الشكل 2: السيارة الكهربائية هي إحدى القوى الدافعة الرئيسية لكربيد السيليكون.

يحتوي شاحن السيارة على أجهزة تحويل طاقة مختلفة، مثل الثنائيات و MOSFET. هدفها هو جعل حجم دوائر الطاقة الإلكترونية أصغر باستخدام مكونات سلبية صغيرة الحجم، وذلك لدمجها جميعًا معًا.يمكن تحقيق هذا الهدف إذا كان من الممكن التحكم في أجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في نفس الدائرة بتردد تحويل مرتفع. ومع ذلك، بسبب ضعف أداء تبديد الحرارة للسيليكون، فإن حل تردد التبديل العالي غير مناسب. يوفر SiC MOSFET الحل الأمثل لمثل هذه التطبيقات.في الوقت الحاضر، تستخدم معظم الشركات المصنعة OBC وDC-DC أجهزة كربيد السيليكون كأجهزة طاقة عالية الكفاءة والجهد العالي والتردد العالي.على سبيل المثال، وانغ ليمين.وقعت ولاية كاليفورنيا أمرا تنفيذيا لتحقيق هدف 5 ملايين سيارة كهربائية على الطريق بحلول عام 2030؛كما أن أوروبا لديها جدول زمني لجميع المركبات الكهربائية لتحل محل المركبات التي تعمل بالوقود؛وفي مدن الدرجة الأولى الكبرى في الصين، يمكن ترخيص السيارات الكهربائية مجانًا.عززت كل هذه السياسات النمو الكبير للسيارات الكهربائية، كما عزز الطلب على السيارات الكهربائية لأجهزة الجهد العالي والتردد العالي والكفاءة العالية النمو الكبير لسوق كربيد السيليكون.5G إمدادات الطاقة وتبديل إمدادات الطاقةيعد مجال إمدادات الطاقة 5G وإمدادات الطاقة التحويلية (SMPS) هو السوق الاستراتيجي الثاني لكربيد السيليكون لشركة Anson Semiconductor.مجال إمداد الطاقة بالتبديل التقليدي هو Boost وإمدادات الطاقة ذات الجهد العالي، والتي كانت لها دائمًا متطلبات عالية لكثافة الطاقة. بدءًا من المعيار الذهبي والمعيار الفضي لإمدادات طاقة الاتصالات إلى مصدر طاقة اتصالات 5G الحالي وإمدادات الطاقة لمركز البيانات السحابي، تتمتع جميعها بمتطلبات عالية لكفاءة الطاقة العالية."لا تحتوي أجهزة كربيد السيليكون على استرداد عكسي، مما يجعل مصدر الطاقة موفرًا للطاقة، والذي يمكن أن يصل إلى 98%. وإمدادات الطاقة 5G هي السوق الأكثر تقليدية والكبيرة نسبيًا لأجهزة كربيد السيليكون في الوقت الحاضر. " قال وانغ ليمين.

الشكل 3: يمكن استخدام كربيد السيليكون في إمدادات الطاقة 5G وتحويل إمدادات الطاقة.

كومة شحن السيارات الكهربائيةتعد كومة شحن السيارات الكهربائية أيضًا أحد أسواقنا الإستراتيجية لكربيد السيليكون. هناك العديد من المخططات لأكوام الشحن، والآن يهتم المستهلكون أكثر بالشحن السريع بالتيار المستمر.تحتاج كومة الشحن ذات الشحن السريع بالتيار المستمر إلى طاقة شحن كبيرة جدًا وكفاءة شحن عالية جدًا، وكل ذلك يجب تحقيقه بالجهد العالي.في تطبيق كومة شحن السيارة الكهربائية، سواء كان كربيد السيليكون في الصمام الثنائي المعزز أو الإخراج، هناك العديد من مخططات كومة الشحن من MOSFET كربيد السيليكون باستخدام المفتاح الرئيسي، وآفاق تطبيقها واسعة جدًا.

الشكل 4: كومة شحن السيارات الكهربائية هي أيضًا مجال تطبيق لكربيد السيليكون.

العاكس الشمسي

في مجال العاكس الشمسي، يعد استخدام ثنائي كربيد السيليكون أيضًا كبيرًا جدًا. يستمر تركيب العاكسات الشمسية في التزايد كل عام، وتشير التقديرات إلى أن 15٪ من الطاقة (حاليًا 1٪) ستأتي من الطاقة الشمسية في السنوات العشر إلى الخمس عشرة القادمة. الطاقة الشمسية مجانية ولا تنضب. وقد تم إدخال السياسات المحلية، ويمكن للأفراد بيع الطاقة الشمسية لشبكة الدولة."يمكن تطبيق أشباه الموصلات من كربيد السيليكون على تعزيز العاكس الشمسي. مع تحسين تكلفة العاكس الشمسي، سيستخدم العديد من المصنعين MOSFET من كربيد السيليكون كجهاز عاكس رئيسي لاستبدال دائرة التحكم المعقدة الأصلية ثلاثية المستويات (العاكس). وقال وانغ ليمين: "فيما يتعلق بقيادة السياسة، فإن الاتحاد الأوروبي لديه هدف 20-20-20، أي أنه بحلول عام 2020، سيتم زيادة كفاءة الطاقة بنسبة 20٪، وسيتم تخفيض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 20٪، والطاقة المتجددة". سوف تصل إلى 20٪. وحددت NEA أيضًا هدفًا للطاقة النظيفة لتلبية 20٪ من الطلب على الطاقة في الصين بحلول عام 2030.

الشكل 5: تطبيق كربيد السيليكون في العاكس الشمسي

بطاقة

أصبحت الموثوقية طويلة الأمد رمزًا لـ SiC MOSFET. وتتمثل المهمة التالية لمصنعي أشباه الموصلات في تطوير وحدات طاقة متعددة الرقائق أو وحدات هجينة، تدمج ترانزستورات السيليكون التقليدية وثنائيات SiC على نفس الجهاز المادي. مع ارتفاع جهد الانهيار، يمكن لهذه الوحدات العمل في درجات حرارة أعلى. يمكنهم أيضًا توفير كفاءة عالية مع تقليل حجم المعدات بشكل أكبر.من منظور سعر السوق الحالي، يتمتع SiC MOSFET بميزة على مستوى النظام مقارنةً بـ IGBT السيليكوني. علاوة على ذلك، مع الانتشار الواسع لتصنيع رقائق 150 مم، من المتوقع أن يستمر سعر SiC MOSFET في الانخفاض.بدأت بعض الشركات المصنعة في إنتاج رقائق بحجم 200 مم (8 بوصة). مع زيادة حجم الرقاقة، ستنخفض تكلفة القالب الواحد، لكن العائد قد ينخفض أيضًا. ولذلك، يجب على الشركات المصنعة تحسين عملياتها باستمرار.ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكلفة تصنيع أجهزة SiC ونقص الإنتاج الضخم، فمن الصعب استخدامها على نطاق واسع. يتطلب الإنتاج الضخم لأجهزة SiC بنية قوية وعملية تصنيع جيدة التصميم. على سبيل المثال، في اختبار الرقاقات، يجب أن تكون الأجهزة التي تم اختبارها أصغر حجمًا وأن تعمل في نطاق تيار وجهد أعلى.بمجرد حل هذه المشكلات، سيعتمد مصممو OEM المزيد من أجهزة SiC، ويستفيدون بشكل كامل من خصائصها الكهربائية الجيدة، ويقلل بشكل كبير من تكلفة النظام ويحسن الكفاءة الإجمالية.

إخلاء المسؤولية: هذه المقالة منقولة من موقع "المتحمسون الإلكترونيون". تمثل هذه المقالة فقط آراء المؤلف الشخصية، ولا تمثل آراء Sacco Micro والصناعة. إنه مخصص فقط لإعادة الطباعة والمشاركة لدعم حماية حقوق الملكية الفكرية. يرجى الإشارة إلى المصدر الأصلي والمؤلف عند إعادة الطبع. وفي حالة وجود أي مخالفة يرجى التواصل معنا لحذفها.

هاتف الشركة: +86-0755-83044319
فاكس/فاكس: +86-0755-83975897
بريد إلكتروني: 1615456225@qq.com
ف ف: 332496225 مدير تشيو
العنوان: الغرفة 809، المبنى C، مبنى Zhantao Technology، رقم 1079 شارع Minzhi، منطقة Longhua الجديدة، Shenzhen