Introducción: El nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) poseen excelentes propiedades físicas para semiconductores de tercera generación, lo que ofrece un mayor margen para mejorar el rendimiento de los dispositivos electrónicos de potencia. Como componente semiconductor básico del sistema de alimentación, los dispositivos de potencia de SiC han mejorado notablemente la eficiencia energética en una amplia gama de aplicaciones militares y civiles, como vehículos eléctricos, trenes de alta velocidad, conexión a la red de energía solar y eólica, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), sistemas de protección electromagnética y otros campos, convirtiéndose en la nueva opción preferida del mercado de las energías renovables.    
           

Charla antes del comienzo

La importancia de los dispositivos de potencia media de tercera generación radica en aumentar la potencia, mejorar la eficiencia y reducir el tamaño, aspectos ineludibles. El país está prestando cada vez más atención al sector de los semiconductores, y el mercado de capitales también comienza a mostrar interés. En particular, en el contexto de la actual guerra comercial, la importancia de la producción independiente de dispositivos de potencia es aún mayor. Al igual que los componentes esenciales en un videojuego, para sintetizar artefactos, los dispositivos de potencia son un elemento indispensable. Actualmente, han surgido empresas nacionales en el sector de los dispositivos de potencia media de tercera generación, que se encuentran en plena actividad. Entre ellas, la empresa Pinejie ha producido dispositivos de potencia de carburo de silicio con un rendimiento excelente.  
Hablemos formalmente de los aspectos del excelente rendimiento del SiC.  
           

Valor de pérdida del dispositivo de potencia

El indicador importante del rendimiento de un dispositivo de potencia no es más que su pérdida total, que consta de dos partes. Una espérdida de conducción(Pérdida de conducción) Uno espérdidas de conmutación(Pérdida por conmutación). En otras palabras, cuanto menor sea la pérdida, mayor será la eficiencia, lo que se traduce en un tamaño más pequeño, mayor eficiencia y menor peso, más adecuados para las necesidades de las aplicaciones modernas. Por ejemplo, una de las razones importantes por las que el Tesla Model 3 pudo reducir su precio a alrededor de 250 000 es que utilizaron una solución de SiC, que mejoró el rendimiento de la batería y redujo su tamaño y peso, disminuyendo así otros costos.

Para ayudar a los proveedores de aplicaciones y a los inversores a comprender cómo se comparan y evalúan los dispositivos semiconductores de potencia y sus principales parámetros en la industria, compararemos cada uno de ellos de forma transversal y comentaremos brevemente las ventajas y desventajas técnicas de los productos MOSFET de SiC de cada empresa a continuación.  
           

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En la generación anterior de aplicaciones de electrónica de potencia, debido a la baja frecuencia de conmutación, la pérdida por conducción juega un papel dominante. Un creador de esta industria y académico de la Academia Nacional de Ciencias.Profesor Jayant B. Baliga(en adelante, Bashen) Ya en 1989 se propuso un factor de calidad para evaluar la pérdida de conducción de los dispositivos de potencia.

(ver [i]), ε donde es la constante dieléctrica del material semiconductor, μ es la movilidad de los electrones,E_Ces el campo eléctrico de ruptura. Según la fórmula de Bashen, si tomamos el factor BFM del material de silicio como 1 unidad, entonces el factor BFM del material SiC es 231 unidades. ¿Cuál es el punto? Esto muestra que al fabricar dispositivos de potencia multisub (MOSFET, diodos Schottky, etc.) con el mismo alto voltaje, ¡la resistencia de encendido de los materiales SiC es 230 veces menor! ¡Esto significa que la pérdida de conducción de los dispositivos SiC es 230 veces menor que la de los dispositivos de silicio bajo la misma corriente! ¡El BFM normalizado de GaN en relación con el silicio es 2097, y el de Ga2O3 es 6170! En resumen, en términos sencillos, Ba Shen predijo ya en la década de 1980,El futuro de los semiconductores de potencia debe estar dominado por semiconductores de banda prohibida ancha.!
 

 

Imagen i
 
 

Jayant B. Baliga   
Con el desarrollo de la tecnología de electrónica de potencia en los últimos 20 años, se ha descubierto que una mayor frecuencia de conmutación de los interruptores puede reducir el uso de componentes pasivos como condensadores e inductores en el circuito, y reducir el volumen y el peso del sistema. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia del sistema, las pérdidas de conmutación de los dispositivos de potencia se vuelven cada vez más significativas, y el costo y el volumen del sistema de refrigeración requerido también aumentan en consecuencia, lo que resulta en que el sistema no se puede optimizar significativamente aumentando aún más la frecuencia. Otro famoso profesor,Alex Q. HuangEn 2004, propuso un factor de calidad que evalúa de forma integral la pérdida por conducción y la pérdida por conmutación del dispositivo.

(véase [ii]), donde R_ds,enes la resistencia de encendido del dispositivo, proporcional a la pérdida de conducción, Q_gdEs la carga almacenada en la capacitancia Miller puerta-drenador del dispositivo y es proporcional a la pérdida de conmutación. Al mismo tiempo, debido a R_ds,enInversamente proporcional al área del dispositivo, Q_gdEn proporción al área del dispositivo, su producto compensa el impacto de dicha área (o costo), mostrando el nivel general de pérdidas del dispositivo en operación de alta frecuencia. En términos sencillos, cuanto menor sea el factor de calidad HDFM, mejor será la calidad general del dispositivo.Cuanto menor sea la pérdida, mayor será la eficiencia. !
 
 

Alex Q. Huang  
Utilizando este método, comparemos el rendimiento de los productos de los principales proveedores de MOSFET de SiC del mercado:
     

personal	Infineon	La legislación italiana	Corey	Roma	Arrendajo de pino	Una marca nacional
Natural	Europa	Europa	USA	Japan	China	China
Plataforma tecnológica	trinchera de primera generación	avión de segunda generación	avión de tercera generación	trinchera de tercera generación	avión de tercera generación	¿No? avión de generación
Rds,en (m?)	90	60	75	80	80	80
Qgd (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
HDFM normalizado	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*Los datos anteriores provienen de una hoja de datos disponible para descarga pública en Internet.

Primero, saquemos conclusiones a través de esta tabla comparativa.En la tecnología MOS planar, los productos de Pinejie Semiconductor, como marca nacional, ya son líderes mundiales y están muy cerca de la tecnología MOS de trinchera con procesos complejos.En circunstancias ideales, para el mismo escenario de aplicación, si se utiliza como referencia el último dispositivo CoolSiC de Infineon, y el consumo total de energía del dispositivo es de al menos 10 W, el consumo de energía del MOSFET SiC de Penjie es de 12.9 W, el consumo de energía de los productos de Kerui es de 18.3 W, el consumo de energía de STMicroelectronics y Rohm se acerca a los 21 W, y el consumo de energía de una marca nacional es de 31 W.

Conclusión

Impulsados ​​por la electrificación de los vehículos de transporte, las nuevas infraestructuras y otros proyectos, los dispositivos de carburo de silicio se convertirán en el eje de la estrategia de las principales centrales eléctricas. Tesla colabora plenamente con STMicroelectronics, y Volkswagen apuesta por Corey... Las centrales eléctricas que logren aprovechar la tecnología más avanzada y la capacidad de producción de dispositivos de potencia de SiC obtendrán ventajas estratégicas incomparables.

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