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Die Elektrizität entwickelt sich hin zu Materialien mit großer Bandlücke (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Obwohl Silizium immer noch den Markt dominiert, werden SiC- und GaN-Geräte bald eine neue Generation effizienterer technischer Lösungen hervorbringen.Laut Yole Dé, einem Marktforschungsunternehmen mit Hauptsitz in Frankreich; Veloppement schätzt, dass der Umsatz mit SiC-Geräten bis 2025 mehr als 10 % des gesamten Leistungselektronikmarktes ausmachen wird und der Umsatz mit GaN-Geräten über 2 % liegen wird.Zu den bekannten Anbietern von SiC-Komponenten gehören stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor und Mitsubishi Electric.Cree stellte den ersten kommerziellen 900-V-SiC-Leistungs-MOSFET und das 650-V-SiC-MOSFET-Portfolio von Wolfspeed vor; Microchip und ROHM haben beide SiC-MOSFETs und -Dioden herausgebracht; Feiling hat acht 650-V-CoolSiC-MOSFET-Geräte vorgestellt. . .. . Daraus ist ersichtlich, dass alle großen Hersteller ihre eigenen Layout- und Entwicklungsstrategien für SiC-Materialien haben.Was ist der Leistungsvorteil von Siliziumkarbid gegenüber Silizium?Silizium ist seit langem das wichtigste Halbleitermaterial in den meisten elektronischen Anwendungen, aber im Vergleich zu SiC ist es ineffizient. Heutzutage wird SiC in vielen Anwendungen eingesetzt, insbesondere in Elektrofahrzeugen, um den Energie- und Kostenherausforderungen bei der Entwicklung hocheffizienter und leistungsstarker Geräte gerecht zu werden.SiC besteht aus reinem Silizium und Kohlenstoff. Im Vergleich zu Silizium hat SiC drei Vorteile: höhere kritische Lawinendurchbruchsfeldstärke, höhere Wärmeleitfähigkeit und größere Bandlücke.SiC hat eine große Bandlücke von 3 Elektronenvolt (eV) und kann einem achtmal größeren Spannungsgradienten als Silizium ohne Lawinendurchbruch standhalten. Je größer die Bandlücke, desto kleiner ist der Leckstrom bei hoher Temperatur und desto höher ist der Wirkungsgrad. Je größer die Wärmeleitfähigkeit, desto höher ist die Stromdichte.

Abbildung 1: Leistungsvorteile von Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium

Das SiC-Substrat hat eine höhere elektrische Feldstärke, sodass eine dünnere Grundstruktur verwendet werden kann und seine Dicke möglicherweise nur ein Zehntel der Dicke einer Silizium-Epitaxieschicht beträgt. Darüber hinaus ist die Dotierungskonzentration von SiC doppelt so hoch wie die von Silizium, sodass der Oberflächenwiderstand des Geräts verringert wird und auch der Leitungsverlust deutlich reduziert wird.SiC gilt als Technologie, die Silizium zuverlässig ersetzen kann. Viele Hersteller von Leistungsmodulen und Wechselrichtern haben geplant, die SiC-Technologie in ihren zukünftigen Produkt-Roadmaps einzusetzen.Diese Technologie mit großer Bandlücke reduziert Schaltverluste und Leitungsverluste unter bestimmten Lasten erheblich, verbessert das Wärmeableitungsmanagement und sorgt für eine beispiellose Energieeffizienz. In leistungselektronischen Systemen ist das Design der Wärmeableitung sehr wichtig, um eine hohe Energiedichte sicherzustellen und die Schaltkreisgröße zu reduzieren. Für diese Anwendungen ist SiC ein ideales Halbleitermaterial, da seine Wärmeleitfähigkeit dreimal so hoch ist wie die von Siliziumhalbleitern.Die SiC-Technologie eignet sich für Projekte mit hoher Leistung, wie Motoren, Treiber und Wechselrichter. Hersteller elektrischer Treiber entwickeln neue Treiberschaltungen, um den Anforderungen der Wandler nach höheren Schaltfrequenzen gerecht zu werden, und übernehmen komplexere und ausgeklügeltere Topologien, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren.SiC-Geräte erfordern weniger externe Komponenten, ein zuverlässigeres Systemlayout und niedrigere Herstellungskosten. Mit höherer Effizienz, geringerer Gesamtgröße und geringerem Gewicht verringert sich der Kühlbedarf des intelligenten Designs entsprechend.Anwendung von Siliziumkarbid

Elektroauto/Hybridauto

Mehrere Automobilhersteller haben bei der Markteinführung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen durch den Einsatz neuer Antriebskonzepte eine Vorreiterrolle übernommen. Diese Fahrzeuge enthalten neue Geräte und Systeme, wie Frequenzumrichter (bis zu 300 kW) für den Antrieb von Motoren, 3.6 kW bis 22 kW Fahrzeugbatterieladegeräte, 3.6 kW bis 22 kW Induktionsladegeräte (kabelloses Laden), DC/DC-Wandler bis zu 5 kW und Wechselrichter für Nebenverbraucher wie Klimaanlagen und Servolenkungen.Hochvoltbatterien sind eines der größten Hindernisse für die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Mit SiC können Automobilhersteller die Batteriegröße und die Gesamtkosten von Elektrofahrzeugen reduzieren.Da SiC außerdem über eine gute Wärmeableitungsleistung verfügt, können Hersteller auch die Kosten für die Kühlung von Antriebsstranggeräten senken. Dies trägt dazu bei, das Gewicht und die Kosten von Elektrofahrzeugen zu reduzieren.Elektrofahrzeuge/Hybridfahrzeuge sind ebenfalls einer der strategischen SiC-Schlüsselmärkte von Anson Semiconductor. Auf dem kürzlich abgehaltenen Online-Medienaustauschtreffen „Anson Semiconductor Silicon Carbide Strategy and Scheme“ sagte Wang Limin, Produktmarketingmanager der Abteilung für Stromversorgungspläne des Unternehmens:Elektrofahrzeuge sind eine der Hauptantriebskräfte für Siliziumkarbid und machen etwa 60 % der gesamten Siliziumkarbid-Marktkapazität aus. Siliziumkarbid-Geräte, die im Hauptantrieb, OBC und DC-DC verwendet werden, können den Wirkungsgrad erheblich verbessern und so die Lebensdauer von Elektrofahrzeugen erhöhen. Aufgrund dieser Vorteile verwenden derzeit fast alle Hersteller von Hauptantriebsumrichtern Siliziumkarbid als Hauptantriebsrichtung.

Abbildung 2: Elektrofahrzeuge sind eine der Hauptantriebskräfte von Siliziumkarbid.

Das Fahrzeugladegerät enthält verschiedene Stromumwandlungsgeräte wie Dioden und MOSFET. Ziel ist es, das Volumen leistungselektronischer Schaltkreise durch den Einsatz kleiner passiver Komponenten zu verkleinern und sie alle miteinander zu integrieren.Dieses Ziel kann erreicht werden, wenn die verwendeten Halbleiterbauelemente im gleichen Schaltkreis mit hoher Schaltfrequenz angesteuert werden können. Aufgrund der schlechten Wärmeableitungsleistung von Silizium ist die Lösung mit hoher Schaltfrequenz jedoch nicht geeignet. SiC-MOSFETs bieten eine ideale Lösung für solche Anwendungen.Derzeit verwenden die meisten OBC- und DC/DC-Hersteller Siliziumkarbid-Geräte als hocheffiziente Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungsgeräte.Wang Limin zum Beispiel,Kalifornien hat eine Durchführungsverordnung unterzeichnet, um das Ziel von 5 Millionen Elektrofahrzeugen auf den Straßen bis 2030 zu erreichen;Europa hat auch einen Zeitplan dafür, dass alle Elektrofahrzeuge Kraftstofffahrzeuge ersetzen;In den großen Städten Chinas können Elektrofahrzeuge kostenlos zugelassen werden.All diese Maßnahmen haben das erhebliche Wachstum von Elektrofahrzeugen gefördert, und die Nachfrage von Elektrofahrzeugen nach Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hocheffizienzgeräten hat auch das erhebliche Wachstum des Siliziumkarbid-Marktes gefördert.5G-Stromversorgung und SchaltnetzteilDer Bereich 5G-Stromversorgung und Schaltnetzteile (SMPS) ist der zweite strategische Markt für Siliziumkarbid für Anson Semiconductor.Der traditionelle Bereich der Schaltnetzteile ist die Boost- und Hochspannungsstromversorgung, die seit jeher hohe Anforderungen an die Leistungsdichte stellt. Vom frühesten Goldstandard und Silberstandard der Kommunikationsstromversorgung bis hin zur aktuellen 5G-Kommunikationsstromversorgung und Cloud-Rechenzentrumsstromversorgung stellen sie alle hohe Anforderungen an eine hohe Energieeffizienz.„Siliziumkarbid-Geräte verfügen über keine Rückwärtswiederherstellung, wodurch die Stromversorgung energieeffizient ist und bis zu 98 % erreichen kann.“ Und 5G-Stromversorgungen sind derzeit der traditionellste und relativ große Markt für Siliziumkarbid-Geräte. " sagte Wang Limin.

Abbildung 3: Siliziumkarbid kann in der 5G-Stromversorgung und im Schaltnetzteil verwendet werden.

Ladesäule für ElektrofahrzeugeLadesäulen für Elektrofahrzeuge sind ebenfalls einer unserer strategischen Märkte für Siliziumkarbid. Es gibt viele Systeme zum Laden von Stapeln, und jetzt sind die Verbraucher am meisten am Gleichstrom-Schnellladen interessiert.Der Ladestapel mit schnellem Gleichstromladen benötigt eine sehr große Ladeleistung und einen sehr hohen Ladewirkungsgrad, die alle durch Hochspannung realisiert werden müssen.Bei der Anwendung von Ladesäulen für Elektrofahrzeuge gibt es, unabhängig davon, ob Siliziumkarbid in Boost- oder Ausgangsdioden steckt, viele Ladesäulenschemata aus Siliziumkarbid-MOSFETs, die den Hauptschalter verwenden, und ihre Anwendungsaussichten sind sehr vielfältig.

Abbildung 4: Ladesäulen für Elektrofahrzeuge sind ebenfalls ein Anwendungsgebiet für Siliziumkarbid.

Solar Inverter

Auch im Bereich der Solarwechselrichter ist die Verwendung von Siliziumkarbiddioden sehr verbreitet. Die Installation von Solarwechselrichtern nimmt jedes Jahr zu und es wird geschätzt, dass in den nächsten 15 bis 1 Jahren 10 % der Energie (derzeit 15 %) aus Solarenergie stammen werden. Solarenergie ist kostenlos und unerschöpflich. Es wurden interne Richtlinien eingeführt, und Einzelpersonen können Solarstrom an das staatliche Netz verkaufen.„Siliziumkarbid-Halbleiter können zum Boosten von Solarwechselrichtern eingesetzt werden. Mit der Optimierung der Kosten für Solarwechselrichter werden viele Hersteller Siliziumkarbid-MOSFETs als Hauptwechselrichtergerät verwenden, um die ursprüngliche komplexe Dreistufen-(Wechselrichter-)Steuerungsschaltung zu ersetzen. Wang Limin sagte: „In Bezug auf die Politik hat die EU ein 20-20-20-Ziel, das heißt, bis 2020 soll die Energieeffizienz um 20 % gesteigert, der Kohlendioxidausstoß um 20 % gesenkt und erneuerbare Energien genutzt werden.“ wird 20 % erreichen. NEA hat sich außerdem das Ziel gesetzt, bis 20 2030 % des Energiebedarfs Chinas durch saubere Energie zu decken.“

Abbildung 5: Anwendung von Siliziumkarbid in Solarwechselrichtern

Etikett

Langfristige Zuverlässigkeit ist zum Symbol des SiC-MOSFET geworden. Die nächste Aufgabe der Halbleiterhersteller besteht darin, Multichip-Leistungsmodule oder Hybridmodule zu entwickeln, die herkömmliche Siliziumtransistoren und SiC-Dioden auf demselben physischen Gerät integrieren. Bei höherer Durchbruchspannung können diese Module bei höheren Temperaturen arbeiten. Sie können außerdem eine hohe Effizienz bieten und gleichzeitig die Größe der Ausrüstung weiter reduzieren.Aus Sicht des aktuellen Marktpreises bietet der SiC-MOSFET gegenüber dem Silizium-IGBT einen Systemvorteil. Darüber hinaus wird mit der zunehmenden Verbreitung der 150-mm-Wafer-Herstellung ein weiterer Preisrückgang für den SiC-MOSFET erwartet.Einige Hersteller haben mit der Produktion von 200-mm-Wafern (8 Zoll) begonnen. Mit zunehmender Wafergröße sinken die Kosten pro Chip, aber auch die Ausbeute kann sinken. Daher müssen Hersteller ihre Prozesse ständig verbessern.Aufgrund der hohen Herstellungskosten von SiC-Geräten und der fehlenden Massenproduktion ist eine breite Anwendung jedoch schwierig. Die Massenproduktion von SiC-Geräten erfordert eine gut konzipierte, robuste Architektur und einen Herstellungsprozess. Beispielsweise müssen beim Wafer-Testen die getesteten Geräte kleiner sein und in einem höheren Strom- und Spannungsbereich arbeiten.Sobald diese Probleme gelöst sind, werden OEM-Designer mehr SiC-Geräte einsetzen, deren gute elektrische Eigenschaften voll ausnutzen, die Systemkosten erheblich senken und die Gesamteffizienz verbessern.

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