مزایای کاربید سیلیکون در مقایسه با سیلیکون چیست؟

شرح

الکتریسیته در حال توسعه به سمت مواد با فاصله باند وسیع (WBG) مانند کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیم (GaN) است. اگرچه سیلیکون همچنان بر بازار تسلط دارد، دستگاه های SiC و GaN به زودی نسل جدیدی از راه حل های فنی کارآمدتر را به وجود خواهند آورد.به گفته Yole Dé، یک سازمان تحقیقات بازار که مقر آن در فرانسه است. Veloppement تخمین می زند که تا سال 2025، درآمد دستگاه های SiC بیش از 10٪ از کل بازار الکترونیک قدرت را تشکیل می دهد و درآمد دستگاه های GaN از 2٪ فراتر خواهد رفت.تامین کنندگان معروف قطعات SiC عبارتند از stmicroelectronics (ST)، Cree/Wolfspeed، Roma، Infineon، On Semiconductor و Mitsubishi Electric.کری اولین ماسفت تجاری 900 ولت SiC و ماسفت 650 ولت SiC Wolfspeed را معرفی کرد. ریزتراشه و ROHM هر دو ماسفت SiC و دیود را منتشر کردهاند. Feiling هشت دستگاه 650 ولت CoolSiC MOSFET را معرفی کرده است. . .. . از اینجا می توان دریافت که همه سازندگان بزرگ طرح و استراتژی های توسعه خود را در مواد SiC دارند.مزیت عملکرد کاربید سیلیکون نسبت به سیلیکون چیست؟سیلیکون برای مدت طولانی ماده نیمه هادی کلیدی در اکثر کاربردهای الکترونیکی بوده است، اما در مقایسه با SiC، ناکارآمد است. امروزه، SiC توسط بسیاری از برنامههای کاربردی، بهویژه خودروهای الکتریکی، برای پاسخگویی به چالشهای انرژی و هزینه توسعه دستگاههای با راندمان و توان بالا مورد استفاده قرار گرفته است.SiC از سیلیکون و کربن خالص تشکیل شده است. در مقایسه با سیلیکون، SiC دارای سه مزیت است: قدرت میدان شکست بحرانی بهمن، هدایت حرارتی بالاتر و شکاف باند وسیعتر.SiC دارای یک شکاف باند وسیع 3 الکترون ولت (eV) است و می تواند شیب ولتاژی 8 برابر بزرگتر از سیلیکون را بدون شکست بهمن تحمل کند. هرچه فاصله باند بیشتر باشد، جریان نشتی در دمای بالا کمتر و بازده بالاتری دارد. هرچه رسانایی حرارتی بیشتر باشد، چگالی جریان بیشتر است.

شکل 1: مزایای عملکرد کاربید سیلیکون در مقایسه با سیلیکون

بستر SiC دارای قدرت میدان الکتریکی بالاتری است، بنابراین میتوان از ساختار پایه نازکتری استفاده کرد و ضخامت آن ممکن است تنها یک دهم لایه اپیتاکسیال سیلیکون باشد. علاوه بر این، غلظت دوپینگ SiC 2 برابر بیشتر از سیلیکون است، بنابراین مقاومت سطحی دستگاه کاهش می یابد و از دست دادن هدایت نیز به طور قابل توجهی کاهش می یابد.SiC به عنوان یک فناوری شناخته شده است که می تواند به طور قابل اعتماد جایگزین سیلیکون شود. بسیاری از تولیدکنندگان ماژولهای قدرت و اینورترهای قدرت برنامهریزی کردهاند که از فناوری SiC در نقشه راه محصولات آینده خود استفاده کنند.این فناوری شکاف باند گسترده تا حد زیادی تلفات سوئیچینگ و تلفات هدایت تحت بارهای خاص را کاهش می دهد، مدیریت اتلاف گرما را بهبود می بخشد و کارایی انرژی بی سابقه ای را ارائه می دهد. در سیستم الکترونیک قدرت، طراحی اتلاف حرارت بسیار مهم است که می تواند چگالی انرژی بالا را تضمین کند و اندازه مدار را کاهش دهد. در این کاربردها، SiC یک ماده نیمه هادی ایده آل است زیرا رسانایی حرارتی آن سه برابر نیمه هادی سیلیکونی است.فناوری SiC برای پروژه هایی با توان بالا مانند موتور، درایور و اینورتر مناسب است. سازندگان درایورهای الکتریکی در حال توسعه مدارهای رانندگی جدید برای پاسخگویی به تقاضای مبدل برای فرکانس سوئیچینگ بالاتر و اتخاذ توپولوژی پیچیده تر و مبتکرانه تر برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) هستند.دستگاههای SiC به اجزای خارجی کمتر، طرحبندی سیستم قابل اعتمادتر و هزینه ساخت کمتر نیاز دارند. با راندمان بالاتر، اندازه کلی کوچکتر و وزن سبک تر، نیازهای خنک کننده طراحی هوشمند به ترتیب کاهش می یابد.کاربرد کاربید سیلیکون

ماشین برقی / ماشین هیبریدی

چندین خودروساز در معرفی خودروهای هیبریدی و الکتریکی در بازار با استفاده از مفاهیم جدید قدرت پیش قدم شده اند. این خودروها دارای دستگاهها و سیستمهای جدیدی هستند، مانند مبدلهای فرکانس (تا 300 کیلووات) برای تغذیه موتورها، شارژرهای باتری خودرو 3.6 تا 22 کیلووات، شارژرهای القایی 3.6 کیلووات تا 22 کیلووات (شارژ بیسیم)، مبدلهای DC/DC تا 5 کیلووات، و اینورترها. برای بارهای کمکی مانند سیستم های تهویه مطبوع و سیستم های فرمان برقی.باتری فشار قوی یکی از موانع اصلی توسعه خودروهای هیبریدی و الکتریکی است. با استفاده از SiC، خودروسازان می توانند حجم باتری و هزینه کل خودروهای الکتریکی را کاهش دهند.علاوه بر این، از آنجایی که SiC عملکرد اتلاف حرارت خوبی دارد، سازندگان میتوانند هزینه خنککننده دستگاههای پیشرانه را نیز کاهش دهند. این به کاهش وزن و هزینه خودروهای الکتریکی کمک می کند.خودروی الکتریکی/خودروی هیبریدی نیز یکی از بازارهای کلیدی استراتژیک SiC Anson Semiconductor است. در جلسه تبادل رسانه آنلاین "استراتژی و طرح کاربید سیلیکون نیمه هادی Anson" که اخیرا برگزار شد، وانگ لیمین، مدیر بازاریابی محصول بخش طرح تامین برق این شرکت گفت:خودروی الکتریکی یکی از نیروهای محرکه اصلی کاربید سیلیکون است که حدود 60 درصد از کل ظرفیت بازار کاربید سیلیکون را تشکیل می دهد. دستگاه های کاربید سیلیکون مورد استفاده در درایو اصلی، OBC و DC-DC می توانند راندمان را تا حد زیادی بهبود بخشند، بنابراین می تواند استقامت وسایل نقلیه الکتریکی را افزایش دهد. بر اساس این مزایا، در حال حاضر، تقریباً تمام سازندگان اینورتر درایو اصلی، کاربید سیلیکون را به عنوان جهت اصلی درایو انتخاب می کنند.

شکل 2: خودروی الکتریکی یکی از نیروهای محرکه اصلی کاربید سیلیکون است.

شارژر خودرو شامل دستگاه های مختلف تبدیل قدرت مانند دیود و ماسفت است. هدف آن کوچکتر کردن حجم مدارهای الکترونیکی قدرت با استفاده از اجزای غیرفعال با اندازه کوچک است تا همه آنها را با هم یکپارچه کند.در صورتی می توان به این هدف دست یافت که دستگاه های نیمه هادی مورد استفاده را بتوان در یک مدار با فرکانس سوئیچینگ بالا کنترل کرد. با این حال، به دلیل عملکرد ضعیف اتلاف حرارت سیلیکون، راه حل فرکانس سوئیچینگ بالا مناسب نیست. SiC MOSFET یک راه حل ایده آل برای چنین کاربردهایی ارائه می دهد.در حال حاضر، اکثر تولید کنندگان OBC و DC-DC از دستگاه های کاربید سیلیکون به عنوان دستگاه های توان با راندمان بالا، ولتاژ بالا و فرکانس بالا استفاده می کنند.برای مثال وانگ لیمینکالیفرنیا دستور اجرایی برای دستیابی به هدف 5 میلیون وسیله نقلیه الکتریکی در جاده ها تا سال 2030 را امضا کرده است.اروپا همچنین یک جدول زمانی برای همه وسایل نقلیه الکتریکی برای جایگزینی وسایل نقلیه سوختی دارد.در شهرهای اصلی چین، وسایل نقلیه الکتریکی می توانند به صورت رایگان مجوز بگیرند.همه این سیاست ها باعث رشد قابل توجه وسایل نقلیه الکتریکی شده است و تقاضای وسایل نقلیه الکتریکی برای دستگاه های ولتاژ بالا، فرکانس بالا و راندمان بالا نیز باعث رشد قابل توجه بازار کاربید سیلیکون شده است.منبع تغذیه 5G و منبع تغذیه سوئیچینگمیدان تغذیه 5G و منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) دومین بازار استراتژیک کاربید سیلیکون برای Anson Semiconductor است.میدان تغذیه سوئیچینگ سنتی منبع تغذیه بوست و ولتاژ بالا است که همیشه نیازهای بالایی برای چگالی توان داشته است. از اولین استاندارد طلایی و استاندارد نقره ای منبع تغذیه ارتباطی گرفته تا منبع تغذیه ارتباطی فعلی 5G و منبع تغذیه مرکز داده ابری، همه اینها دارای الزامات بالایی برای بهره وری انرژی بالا هستند.دستگاههای کاربید سیلیکون بازیابی معکوس ندارند، که باعث میشود منبع تغذیه انرژی کارآمدی داشته باشد که میتواند به 98 درصد برسد. و منبع تغذیه 5G سنتی ترین و نسبتاً بزرگ ترین بازار دستگاه های کاربید سیلیکون در حال حاضر است. " وانگ لیمین گفت.

شکل 3: کاربید سیلیکون را می توان در منبع تغذیه 5G و منبع تغذیه سوئیچینگ استفاده کرد.

شمع شارژ خودروی برقیشمع شارژ خودروی الکتریکی نیز یکی از بازارهای استراتژیک ما برای کاربید سیلیکون است. طرح های زیادی برای شارژ شمع ها وجود دارد و در حال حاضر مصرف کنندگان بیشتر به شارژ سریع DC علاقه مند هستند.شمع شارژ با شارژ سریع DC به قدرت شارژ بسیار زیاد و راندمان شارژ بسیار بالا نیاز دارد که همه اینها باید با ولتاژ بالا محقق شوند.در کاربرد شمع شارژ وسایل نقلیه الکتریکی، چه کاربید سیلیکون در بوست یا دیود خروجی باشد، طرح های شمع شارژ بسیاری از ماسفت کاربید سیلیکون با استفاده از سوئیچ اصلی وجود دارد و چشم انداز کاربرد آنها بسیار گسترده است.

شکل 4: شمع شارژ خودروی الکتریکی نیز یک زمینه کاربردی از کاربید سیلیکون است.

اینورتر خورشیدی

در زمینه اینورتر خورشیدی، استفاده از دیود کاربید سیلیکون نیز بسیار زیاد است. نصب اینورترهای خورشیدی هر سال در حال افزایش است و تخمین زده می شود که 15٪ انرژی (در حال حاضر 1٪) در 10 تا 15 سال آینده از انرژی خورشیدی تامین شود. انرژی خورشیدی رایگان و تمام نشدنی است. سیاست های داخلی معرفی شده است و افراد می توانند برق خورشیدی را به شبکه دولتی بفروشند."نیمه هادی کاربید سیلیکون را می توان برای تقویت اینورتر خورشیدی اعمال کرد. با بهینه سازی هزینه اینورتر خورشیدی، بسیاری از تولید کنندگان از ماسفت کاربید سیلیکون به عنوان دستگاه اصلی اینورتر برای جایگزینی مدار پیچیده کنترل سه سطحی (اینورتر) اصلی استفاده می کنند. " وانگ لیمین گفت: "از نظر سیاست گذاری، اتحادیه اروپا یک هدف 20-20-20 دارد، یعنی تا سال 2020، بهره وری انرژی 20٪ افزایش می یابد، انتشار دی اکسید کربن تا 20٪ کاهش می یابد و انرژی های تجدیدپذیر کاهش می یابد. به 20 درصد خواهد رسید. NEA همچنین یک هدف انرژی پاک برای تامین 20 درصد تقاضای انرژی چین تا سال 2030 تعیین کرده است.

شکل 5: کاربرد سیلیکون کاربید در اینورتر خورشیدی

برچسب

قابلیت اطمینان طولانی مدت به نماد SiC MOSFET تبدیل شده است. وظیفه بعدی سازندگان نیمه هادی توسعه ماژول های قدرت چند تراشه یا ماژول های هیبریدی است که ترانزیستورهای سیلیکونی سنتی و دیودهای SiC را در یک دستگاه فیزیکی یکپارچه می کنند. با ولتاژ شکست بالاتر، این ماژول ها می توانند در دمای بالاتر کار کنند. آنها همچنین می توانند با کاهش بیشتر اندازه تجهیزات، راندمان بالایی داشته باشند.از نظر قیمت فعلی بازار، SiC MOSFET نسبت به IGBT سیلیکونی از مزیت سطح سیستمی برخوردار است. علاوه بر این، با پذیرش گسترده تولید ویفر ۱۵۰ میلیمتری، انتظار میرود که قیمت SiC MOSFET همچنان کاهش یابد.برخی از تولیدکنندگان شروع به تولید ویفرهای 200 میلی متری (8 اینچی) کرده اند. با افزایش اندازه ویفر، هزینه هر قالب کاهش می یابد، اما ممکن است عملکرد نیز کاهش یابد. بنابراین، تولیدکنندگان باید دائماً فرآیندهای خود را بهبود بخشند.با این حال، به دلیل هزینه بالای ساخت دستگاه های SiC و عدم تولید انبوه، استفاده گسترده از آن دشوار است. تولید انبوه دستگاه های SiC نیازمند یک معماری و فرآیند ساخت قوی است که به خوبی طراحی شده است. به عنوان مثال، در آزمایش ویفر، دستگاه های مورد آزمایش باید اندازه کوچکتری داشته باشند و در محدوده جریان و ولتاژ بالاتری کار کنند.هنگامی که این مشکلات حل شدند، طراحان OEM دستگاه های SiC بیشتری را اتخاذ می کنند، از ویژگی های الکتریکی خوب آنها استفاده کامل می کنند، هزینه سیستم را تا حد زیادی کاهش می دهند و کارایی کلی را بهبود می بخشند.

سلب مسئولیت: این مقاله از «علاقه مندان الکترونیک» تکثیر شده است. این مقاله فقط دیدگاه های شخصی نویسنده را نشان می دهد و دیدگاه های Sacco Micro و صنعت را نشان نمی دهد. این فقط برای تجدید چاپ و به اشتراک گذاری برای حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی است. لطفاً هنگام چاپ مجدد منبع و نویسنده اصلی را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفا با ما تماس بگیرید تا آن را حذف کنیم.

تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 مدیر کیو
آدرس: اتاق 809، بلوک C، ساختمان فناوری Zhantao، خیابان Minzhi شماره 1079، منطقه جدید Longhua، شنژن