¿Cuáles son las ventajas del carburo de silicio en comparación con el silicio?

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La electricidad se está desarrollando hacia materiales de banda prohibida amplia (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN). Aunque el silicio todavía domina el mercado, los dispositivos de SiC y GaN pronto darán origen a una nueva generación de soluciones técnicas más eficientes.Según Yole Dé, una organización de investigación de mercados con sede en Francia; Veloppement estima que para 2025, los ingresos de los dispositivos de SiC representarán más del 10% del mercado general de electrónica de potencia, y los ingresos de los dispositivos de GaN superarán el 2%.Entre los proveedores conocidos de componentes de SiC se incluyen stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor y Mitsubishi Electric.Cree presentó la primera cartera comercial de MOSFET de potencia de SiC de 900 V y Wolfspeed de 650 V de SiC; Microchip y ROHM han lanzado diodos y MOSFET de SiC; Feiling ha presentado ocho dispositivos MOSFET CoolSiC de 650 V. . .. . De esto se puede ver que todos los principales fabricantes tienen sus propias estrategias de diseño y desarrollo en materiales de SiC.¿Cuál es la ventaja de rendimiento del carburo de silicio sobre el silicio?El silicio ha sido durante mucho tiempo el material semiconductor clave en la mayoría de las aplicaciones electrónicas, pero en comparación con el SiC, es ineficiente. Hoy en día, muchas aplicaciones, especialmente vehículos eléctricos, han adoptado el SiC para afrontar los desafíos energéticos y de costes que supone el desarrollo de dispositivos de alta eficiencia y alta potencia.El SiC está compuesto de silicio puro y carbono. En comparación con el silicio, el SiC tiene tres ventajas: mayor intensidad del campo crítico de ruptura de avalanchas, mayor conductividad térmica y banda prohibida más amplia.El SiC tiene una amplia banda prohibida de 3 electronvoltios (eV) y puede soportar un gradiente de voltaje 8 veces mayor que el del silicio sin ruptura por avalancha. Cuanto más amplia sea la banda prohibida, menor será la corriente de fuga a alta temperatura y mayor será la eficiencia. Cuanto mayor es la conductividad térmica, mayor es la densidad de corriente.

Figura 1: Ventajas de rendimiento del carburo de silicio en comparación con el silicio

El sustrato de SiC tiene una mayor intensidad de campo eléctrico, por lo que se puede utilizar una estructura base más delgada y su espesor puede ser sólo una décima parte del de la capa epitaxial de silicio. Además, la concentración de dopaje de SiC es 2 veces mayor que la del silicio, por lo que la resistencia superficial del dispositivo se reduce y la pérdida de conducción también se reduce significativamente.El SiC ha sido reconocido como una tecnología que puede sustituir de forma fiable al silicio. Muchos fabricantes de módulos de potencia e inversores de potencia han planeado utilizar la tecnología SiC en sus futuras hojas de ruta de productos.Esta tecnología de banda prohibida ancha reduce en gran medida la pérdida de conmutación y la pérdida de conducción bajo cargas específicas, mejora la gestión de la disipación de calor y proporciona una eficiencia energética sin precedentes. En los sistemas electrónicos de potencia, el diseño de disipación de calor es muy importante, ya que puede garantizar una alta densidad de energía y reducir el tamaño del circuito. En estas aplicaciones, el SiC es un material semiconductor ideal porque su conductividad térmica es tres veces mayor que la del semiconductor de silicio.La tecnología SiC es adecuada para proyectos de alta potencia, como motores, controladores e inversores. Los fabricantes de controladores eléctricos están desarrollando nuevos circuitos de conducción para satisfacer la demanda del convertidor de una mayor frecuencia de conmutación y adoptando una topología más compleja e ingeniosa para reducir la interferencia electromagnética (EMI).Los dispositivos de SiC requieren menos componentes externos, un diseño del sistema más confiable y menores costos de fabricación. Con una mayor eficiencia, un tamaño total más pequeño y un peso más ligero, los requisitos de refrigeración del diseño inteligente se reducen correspondientemente.Aplicación de carburo de silicio.

Coche eléctrico/coche híbrido

Varios fabricantes de automóviles han tomado la iniciativa en la introducción de vehículos híbridos y eléctricos en el mercado utilizando nuevos conceptos de energía. Estos vehículos contienen nuevos dispositivos y sistemas, como convertidores de frecuencia (hasta 300 kW) para alimentar motores, cargadores de baterías para vehículos de 3.6 kW a 22 kW, cargadores de inducción de 3.6 kW a 22 kW (carga inalámbrica), convertidores CC/CC de hasta 5 kW e inversores. para cargas auxiliares como aires acondicionados y sistemas de dirección asistida.Las baterías de alto voltaje son uno de los principales obstáculos para el desarrollo de vehículos híbridos y eléctricos. Utilizando SiC, los fabricantes de automóviles pueden reducir el tamaño de la batería y el coste total de los vehículos eléctricos.Además, como el SiC tiene un buen rendimiento de disipación de calor, los fabricantes también pueden reducir el coste de refrigeración de los dispositivos del tren motriz. Esto ayuda a reducir el peso y el coste de los vehículos eléctricos.El vehículo eléctrico/vehículo híbrido es también uno de los mercados clave estratégicos de SiC de Anson Semiconductor. En la reunión de intercambio de medios en línea de "Esquema y esquema de carburo de silicio de Anson Semiconductor" celebrada recientemente, Wang Limin, gerente de marketing de productos del departamento de esquemas de suministro de energía de la compañía, dijo:El vehículo eléctrico es una de las principales fuerzas impulsoras del carburo de silicio y representa aproximadamente el 60% de la capacidad total del mercado de carburo de silicio. Los dispositivos de carburo de silicio utilizados en el accionamiento principal, OBC y DC-DC pueden mejorar en gran medida la eficiencia, por lo que pueden aumentar la resistencia de los vehículos eléctricos. Con base en estas ventajas, en la actualidad, casi todos los fabricantes de inversores de accionamiento principal utilizan el carburo de silicio como dirección de accionamiento principal.

Figura 2: El vehículo eléctrico es una de las principales fuerzas impulsoras del carburo de silicio.

El cargador del vehículo contiene varios dispositivos de conversión de energía, como diodos y MOSFET. Su objetivo es reducir el volumen de los circuitos electrónicos de potencia mediante el uso de componentes pasivos de pequeño tamaño, para poder integrarlos todos entre sí.Este objetivo se puede lograr si los dispositivos semiconductores utilizados se pueden controlar en el mismo circuito con una alta frecuencia de conmutación. Sin embargo, debido al pobre rendimiento de disipación de calor del silicio, la solución de alta frecuencia de conmutación no es adecuada. SiC MOSFET proporciona una solución ideal para este tipo de aplicaciones.En la actualidad, la mayoría de los fabricantes de OBC y DC-DC utilizan dispositivos de carburo de silicio como dispositivos de potencia de alta eficiencia, alto voltaje y alta frecuencia.Wang Limin, por ejemplo,California ha firmado una orden ejecutiva para alcanzar el objetivo de 5 millones de vehículos eléctricos en circulación para 2030;Europa también tiene un calendario para que todos los vehículos eléctricos reemplacen a los vehículos de combustible;En las principales ciudades de primer nivel de China, los vehículos eléctricos pueden obtener licencias de forma gratuita.Todas estas políticas han promovido el crecimiento sustancial de los vehículos eléctricos, y la demanda de los vehículos eléctricos de dispositivos de alto voltaje, alta frecuencia y alta eficiencia también ha promovido el crecimiento sustancial del mercado de carburo de silicio.Fuente de alimentación 5G y fuente de alimentación conmutada.El campo de la fuente de alimentación 5G y la fuente de alimentación conmutada (SMPS) es el segundo mercado estratégico de carburo de silicio para Anson Semiconductor.El campo tradicional de la fuente de alimentación conmutada es Boost y la fuente de alimentación de alto voltaje, que siempre ha tenido altos requisitos de densidad de potencia. Desde los primeros estándares de oro y plata de suministro de energía para comunicaciones hasta el actual suministro de energía para comunicaciones 5G y el suministro de energía para centros de datos en la nube, todos ellos tienen altos requisitos de alta eficiencia energética."Los dispositivos de carburo de silicio no tienen recuperación inversa, lo que hace que el suministro de energía sea energéticamente eficiente, que puede alcanzar el 98%. Y las fuentes de alimentación 5G son el mercado más tradicional y relativamente grande de dispositivos de carburo de silicio en la actualidad. " Dijo Wang Limin.

Figura 3: El carburo de silicio se puede utilizar en fuentes de alimentación 5G y fuentes de alimentación conmutadas.

Pila de carga de vehículos eléctricosLa pila de carga de vehículos eléctricos es también uno de nuestros mercados estratégicos para el carburo de silicio. Existen muchos esquemas para cargar pilas y ahora los consumidores están más interesados en la carga rápida de CC.La pila de carga con carga rápida de CC necesita una potencia de carga muy grande y una eficiencia de carga muy alta, todo lo cual debe realizarse mediante alto voltaje.En la aplicación de la pila de carga de vehículos eléctricos, ya sea que el carburo de silicio esté en impulso o en diodo de salida, existen muchos esquemas de pila de carga de MOSFET de carburo de silicio que utilizan el interruptor principal, y sus perspectivas de aplicación son muy amplias.

Figura 4: La pila de carga de vehículos eléctricos también es un campo de aplicación del carburo de silicio.

Inversor solar

En el campo de los inversores solares, el uso de diodos de carburo de silicio también es muy amplio. La instalación de inversores solares sigue aumentando cada año y se estima que el 15% de la energía (actualmente el 1%) provendrá de energía solar en los próximos 10 a 15 años. La energía solar es gratuita e inagotable. Se han introducido políticas nacionales y los particulares pueden vender energía solar a la red estatal."El semiconductor de carburo de silicio se puede aplicar al impulso del inversor solar. Con la optimización del costo del inversor solar, muchos fabricantes utilizarán MOSFET de carburo de silicio como dispositivo inversor principal para reemplazar el circuito complejo de control original de tres niveles (inversor). " Wang Limin dijo: "En términos de conducción de políticas, la UE tiene un objetivo 20-20-20, es decir, para 2020, la eficiencia energética aumentará en un 20%, las emisiones de dióxido de carbono se reducirán en un 20% y las energías renovables alcanzará el 20%. La NEA también se ha fijado el objetivo de energía limpia de satisfacer el 20% de la demanda energética de China para 2030. "

Figura 5: Aplicación de carburo de silicio en inversor solar

La confiabilidad a largo plazo se ha convertido en el símbolo de SiC MOSFET. La próxima tarea de los fabricantes de semiconductores es desarrollar módulos de potencia multichip o módulos híbridos, integrando transistores de silicio tradicionales y diodos de SiC en un mismo dispositivo físico. Con un voltaje de ruptura más alto, estos módulos pueden funcionar a temperaturas más altas. También pueden proporcionar una alta eficiencia y al mismo tiempo reducir aún más el tamaño del equipo.Desde la perspectiva del precio actual del mercado, el MOSFET de SiC presenta una ventaja a nivel de sistema sobre el IGBT de silicio. Además, con la amplia adopción de la fabricación de obleas de 150 mm, se prevé que el precio del MOSFET de SiC siga bajando.Algunos fabricantes han comenzado a producir obleas de 200 mm (8 pulgadas). Con el aumento del tamaño de la oblea, el costo por matriz disminuirá, pero el rendimiento también puede disminuir. Por ello, los fabricantes deben mejorar constantemente sus procesos.Sin embargo, debido al alto coste de fabricación de los dispositivos de SiC y a la falta de producción en masa, es difícil que se utilice ampliamente. La producción en masa de dispositivos de SiC requiere una arquitectura y un proceso de fabricación robustos y bien diseñados. Por ejemplo, en las pruebas de obleas, se requiere que los dispositivos probados sean más pequeños y funcionen en un rango de corriente y voltaje más alto.Una vez que se resuelvan estos problemas, los diseñadores OEM adoptarán más dispositivos de SiC, aprovecharán al máximo sus buenas características eléctricas, reducirán en gran medida el costo del sistema y mejorarán la eficiencia general.

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