این مقاله عمدتاً زمینه‌های کاربرد و تاریخچه توسعه دیودهای کاربید سیلیکون را معرفی می‌کند و طبقه‌بندی و ساختار لوله‌های MOS کاربید سیلیکون را به تفصیل توضیح می‌دهد. تنها جزء سیلیکون و کربن، کاربید سیلیکون (SiC) است که معمولاً با نام امری شناخته می‌شود. کاربید سیلیکون در طبیعت به عنوان ماده معدنی مویزنیت وجود دارد، اما بسیار نادر است. با این حال، کاربید سیلیکون پودری از سال ۱۸۹۳ به عنوان یک ساینده در مقادیر زیاد تولید شده است. کاربید سیلیکون بیش از صد سال است که به عنوان یک ساینده، عمدتاً در چرخ‌های سنگ‌زنی و بسیاری از کاربردهای ساینده دیگر، مورد استفاده قرار گرفته است.



«SiC تا رسیدن به ولتاژ آستانه (VT) مقاومت بالایی دارد. وقتی به ولتاژ آستانه رسید، مقاومت آن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد تا زمانی که ولتاژ اعمال شده به زیر VT برسد. اولین کاربردهای الکتریکی SiC که از این خاصیت بهره بردند، برقگیرهای رعد و برق در سیستم‌های توزیع برق بودند (در شکل نشان داده شده است).


از آنجایی که SiC دارای واریستور است، ساقه SiC می‌تواند بین خطوط ولتاژ بالا و زمین متصل شود. اگر یک خط برق مورد اصابت رعد و برق قرار گیرد، ولتاژ منبع تغذیه افزایش یافته و از ولتاژ آستانه (VT) برقگیر SiC تجاوز می‌کند و در نتیجه جریان رعد و برق را به زمین (به جای خط برق) هدایت و تحویل می‌دهد و در نتیجه هیچ آسیبی ایجاد نمی‌کند. اما این برقگیرهای SiC جریان زیادی را در ولتاژ عملیاتی عادی خط برق هدایت می‌کنند. بنابراین، شکاف‌های جرقه باید به صورت سری متصل شوند. هنگامی که ولتاژ خط برق به دلیل برخورد رعد و برق افزایش می‌یابد، شکاف جرقه یونیزه شده و برق را هدایت می‌کند و به طور موثر برقگیر SiC را بین خط برق و زمین متصل می‌کند. بعداً، پرسنل مربوطه کشف کردند که شکاف جرقه مورد استفاده توسط برقگیر غیرقابل اعتماد است. به دلیل خرابی مواد، نفوذ گرد و غبار یا نمک، ممکن است شکاف جرقه در صورت نیاز نتواند قوس را ایجاد کند یا پس از برخورد رعد و برق نتواند قوس را خاموش کند. برقگیرهای سیلیکون کاربید در ابتدا برای از بین بردن وابستگی به شکاف‌های جرقه طراحی شده بودند، اما به دلیل قابلیت اطمینان آنها، برقگیرهای سیلیکون کاربید شکاف‌دار عمدتاً با وریستورهای بدون شکاف با هسته اکسید روی جایگزین شده‌اند.

SiC در الکترونیک قدرت

انواع مختلفی از قطعات نیمه‌هادی از کاربید سیلیکون تولید می‌شوند، از جمله دیودهای شاتکی (که دیودهای مانع شاتکی یا SBD نیز نامیده می‌شوند)، ترانزیستورهای اثر میدانی نوع J (یا JFET) و ترانزیستورهای اثر میدانی که در کاربردهای سوئیچینگ توان بالا استفاده می‌شوند. برخی از شرکت‌ها شروع به تلاش برای به‌کارگیری تراشه‌های بدون روکش دیود شاتکی کاربید سیلیکون در ماژول‌های الکترونیک قدرت کرده‌اند. در واقع، زیرلایه‌های سیلیکونی به طور گسترده در ماژول‌های قدرت IGBT و مدارهای اصلاح ضریب توان مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

مزایا و معایب SiC

یکی از دلایلی که قطعات الکترونیک قدرت مبتنی بر کاربید سیلیکون بسیار جذاب هستند این است که در یک ولتاژ مسدودکننده معین، چگالی آلایش آنها تقریباً صد برابر بیشتر از قطعات مبتنی بر سیلیکون است. به این ترتیب، می‌توان ولتاژ مسدودکننده بالایی با مقاومت در حالت روشن کم به دست آورد. مقاومت در حالت روشن کم برای کاربردهای توان بالا مهم است زیرا وقتی مقاومت در حالت روشن کاهش می‌یابد، گرمای کمتری تولید می‌شود که باعث کاهش بار حرارتی روی سیستم و افزایش راندمان کلی می‌شود.



با این حال، در تولید قطعات الکترونیکی مبتنی بر کاربید سیلیکون مشکلاتی وجود دارد و رفع نقص‌ها به مهمترین مسئله تبدیل شده است. این نقص‌ها منجر به خواص سد معکوس ضعیف قطعات ساخته شده از کریستال‌های SiC می‌شوند. علاوه بر مشکلات کیفیت کریستال، مشکلات سطح مشترک بین دی اکسید سیلیکون و SiC نیز مانع توسعه MOSFET های قدرت مبتنی بر SiC و کریستال‌های دوقطبی با گیت عایق شده می‌شود. خوشبختانه، استفاده از فناوری نیتریده کردن در تولید می‌تواند نقص‌هایی را که باعث این مشکلات سطح مشترک می‌شوند، تا حد زیادی کاهش دهد.

دیسک ساینده SiC

کاربید سیلیکون هنوز هم به عنوان یک ساینده در بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود. این ماده عمدتاً به عنوان یک لایه صیقل‌دهنده در صنعت الکترونیک برای صیقل دادن هر دو انتهای فیبرهای نوری قبل از اتصال استفاده می‌شود. این مواد می‌توانند درجه بالایی از صافی را برای کانکتورهای فیبر نوری جهت عملکرد کارآمد به ارمغان بیاورند. کاربید سیلیکون بیش از صد سال است که تولید می‌شود، اما اخیراً در صنعت الکترونیک قدرت مورد استفاده قرار گرفته است. به دلیل خواص فیزیکی و الکتریکی خاص خود، در کاربردهای فشار بالا و دمای بالا بسیار مفید است.



امروزه دیودهای کاربید سیلیکون در زمینه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند.



۱. اینورتر خورشیدی.



دیودهای سیلیکون کاربید ماده اولیه دیودهای انرژی خورشیدی هستند و از نظر شاخص‌های فنی مختلف نسبت به فناوری دیودهای دوقطبی معمولی برتری دارند. دیودهای سیلیکون کاربید خیلی سریع روشن و خاموش می‌شوند و هنگام تعویض با استفاده از فناوری دیود دوقطبی معمولی، جریان بازیابی معکوس ندارند. پس از حذف اثر جریان بازیابی معکوس، دیودهای سیلیکون کاربید مصرف انرژی را تا 70٪ کاهش می‌دهند و می‌توانند راندمان انرژی بالایی را در طیف وسیعی از دما حفظ کنند، بنابراین انعطاف‌پذیری طراحان را برای بهینه‌سازی فرکانس عملکرد سیستم افزایش می‌دهند.



۲. شارژر خودرو با انرژی نو.



پس از گذراندن آزمایش‌های محصول خودرو، ولتاژ شکست دیودهای سیلیکون کاربید به 650 ولت افزایش یافته است که می‌تواند الزامات طراحان و تولیدکنندگان خودرو را برای کاهش ضریب جبران ولتاژ برآورده کند و در نتیجه حاشیه ایمنی کافی بین ولتاژ اسمی و ولتاژ اوج لحظه‌ای اجزای نیمه‌هادی قابل شارژ روی برد را تضمین کند. محصول دیود دو لوله‌ای، استفاده از فضا را به حداکثر می‌رساند و وزن شارژر خودرو را کاهش می‌دهد.

۳. مزایای منبع تغذیه سوئیچینگ.

استفاده از سوئیچ‌های سیلیکون کاربید بسیار سریع است، می‌تواند در فرکانس‌های بالا کار کند و دارای بازیابی صفر و خواص مستقل از دما است. با استفاده از بسته‌های RP با اندوکتانس پایین ما، این دیودها می‌توانند در هر تعداد مدار دیود سوئیچینگ سریع یا مبدل‌های فرکانس بالا استفاده شوند.



۴. مزایای صنعتی.



دیودهای سیلیکون کاربید: عمدتاً در مبدل‌های قدرت فرکانس بالا در موتورهای سنگین و تجهیزات صنعتی استفاده می‌شوند و مزایای راندمان بالا، توان بالا و فرکانس بالا را به همراه دارند.

دستگاه های SiC

اول. طبقه‌بندی قطعات SiC.



ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی سیلیکون کاربید.



ترانزیستورهای اثر میدانی کاربید سیلیکون، نگران‌کننده‌ترین دستگاه‌ها در تحقیقات مربوط به دستگاه‌های الکترونیکی قدرت کاربید سیلیکون هستند. امروزه، مواد سیلیکونی به حد عملکرد نظری خود نزدیک می‌شوند و دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون به دلیل ولتاژ تحمل بالا، تلفات کم و راندمان بالا، به عنوان "دستگاه‌های ایده‌آل" در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، در مقایسه با دستگاه‌های سیلیکونی قبلی، تعادل بین عملکرد و هزینه و نیاز به فناوری پیشرفته، کلید ارتقای توسعه دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون خواهد بود.



دوم، ساختار MOS کاربید سیلیکون.



ناحیه منبع N+ و ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌هادی اکسید فلزی با کاشت یون N+ آلاییده شده و در دمای 1700 درجه سانتیگراد آنیل می‌شوند. فرآیند کلیدی دیگر، تشکیل اکسید گیت نیمه‌هادی اکسید فلزی کاربید سیلیکون است. از آنجا که هم اتم‌های سیلیکون و هم کربن در کاربید سیلیکون وجود دارند، به یک روش بسیار خاص برای رشد دی‌الکتریک گیت نیاز است. مزایای ساختار شیار به شرح زیر است:



ساختار شیاری ترانزیستورهای اثر میدانی کاربید سیلیکون می‌تواند به طور کامل به ویژگی‌های کاربید سیلیکون جلوه دهد.



سوم، مزایای MOS کاربید سیلیکون.



به طور کلی، IGBT های سیلیکونی فقط می‌توانند در فرکانس‌های زیر 20 کیلوهرتز کار کنند. به دلیل محدودیت‌های مواد، نمی‌توان دستگاه‌های سیلیکونی با ولتاژ بالا و فرکانس بالا را تولید کرد. MOSFET های کاربید سیلیکون نه تنها برای محدوده ولتاژ وسیعی از 600 ولت تا 10 کیلوولت مناسب هستند، بلکه عملکرد سوئیچینگ عالی دستگاه‌های تک قطبی را نیز دارند. در مقایسه با IGBT های سیلیکونی، ترانزیستورهای اثر میدانی کاربید سیلیکون، در صورت عدم وجود جریان در مدار سوئیچینگ، تلفات سوئیچینگ کمتری دارند و فرکانس‌های کاری بالاتری دارند.



تلفات یک ماژول MOSFET سیلیکون کاربید ۲۰ کیلوهرتز می‌تواند نصف یک ماژول IGBT سیلیکون کاربید ۳ کیلوهرتز باشد و یک ماژول سیلیکون کاربید ۵۰ آمپر می‌تواند جایگزین یک ماژول سیلیکون ۱۵۰ آمپر شود. این نشان دهنده مزایای عظیم ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز سیلیکون کاربید از نظر فرکانس کاری و راندمان است.



زمان بازیابی معکوس دیود بدنه انگلی trr و ​​بار بازیابی معکوس Qrr در MOSFET سیلیکون کاربید بسیار کوچک هستند. همانطور که در شکل نشان داده شده است، بار معکوس دیود انگلی یک MOSFET سیلیکون کاربید تنها 5٪ از بار معکوس یک MOSFET مبتنی بر سیلیکون با مشخصات ولتاژ مشابه است. برای مدارهای پل (به ویژه هنگامی که مبدل LLC بالاتر از فرکانس رزونانس کار می‌کند)، این شاخص برای کاهش تلفات و نویز ناشی از زمان مرده و بازیابی معکوس دیود بدنه بسیار مهم است و به بهبود فرکانس سوئیچینگ کمک می‌کند.



چهارم، کاربرد لوله‌های MOS کاربید سیلیکون!



ماژول‌های MOSFET سیلیکون کاربید مزایای زیادی در کاربردهای سیستم‌های قدرت متوسط ​​و بالا مانند تولید برق فتوولتائیک، تولید برق بادی، وسایل نقلیه الکتریکی و حمل و نقل ریلی دارند. مزایای ولتاژ بالا، فرکانس بالا و راندمان بالای دستگاه‌های سیلیکون کاربید می‌تواند محدودیت‌های عملکرد دستگاه را در طراحی‌های موجود خودروهای الکتریکی که تمرکز تحقیق و توسعه در زمینه خودروهای الکتریکی در داخل و خارج از کشور است، از بین ببرد. به عنوان مثال، واحدهای کنترل قدرت (PCU) در خودروهای الکتریکی هیبریدی (HEV) و خودروهای الکتریکی خالص (EV) که به طور مشترک توسط دنسو و تویوتا توسعه یافته‌اند، از ماژول‌های سیلیکون کاربید MOSFET استفاده می‌کنند و در نتیجه نسبت حجم را به 1/5 کاهش می‌دهند. سیستم درایو موتور EV که توسط میتسوبیشی توسعه یافته است، از ماژول‌های SiCMOSFET برای ادغام ماژول درایو قدرت در موتور استفاده می‌کند و در نتیجه به اهداف ادغام و کوچک‌سازی دست می‌یابد. انتظار می‌رود که ماژول‌های سیلیکون کاربید MOSFET در سال‌های اخیر به طور گسترده در خودروهای الکتریکی در داخل و خارج از کشور مورد استفاده قرار گیرند.


شرکت فناوری میکرو نیمه‌رسانای ووشی گوجینگ، یک شرکت نوآور با فناوری پیشرفته است که به تحقیق، توسعه و صنعتی‌سازی دستگاه‌های قدرت SiC از جنس کاربید سیلیکون، دستگاه‌های اپتوالکترونیکی گالیوم نیترید GaN و مدارهای مجتمع متعارف اختصاص دارد. این شرکت بر روی ترانزیستورهای اثر میدانی کاربید سیلیکون کار می‌کند. طراحی، تولید و فروش دیودهای شاتکی کاربید سیلیکون، رله‌های اپتوکوپلر GaN، مدارهای مجتمع تک تراشه‌ای و سایر تراشه‌های محصول را انجام می‌دهد و خدمات پشتیبانی برای طراحی راه‌حل کلی محصولات مرتبط ارائه می‌دهد. دفتر مرکزی این شرکت در منطقه توسعه فناوری پیشرفته ووشی، استان جیانگ سو واقع شده است و دارای مراکز تحقیق و توسعه، مراکز پشتیبانی خدمات فروش و دفاتری در شنژن و هنگ کنگ است.



دستگاه‌های قدرت سیلیکون کاربید این شرکت شامل سری‌های 650V/2A-100A، 1200V/2A-90A، 1700V/5A-80A و سایر سری‌ها می‌شود. این محصولات به تولید انبوه رسیده‌اند و کاملاً با کیفیت و سطح پیشرفته برندهای بین‌المللی قابل مقایسه هستند. این شرکت به طور متوالی دیودهای شاتکی سیلیکون کاربید با جریان کامل و ولتاژ کامل و محصولات سری MOSFET سیلیکون کاربید را عرضه کرده و آزمایش‌های قابلیت اطمینان در سطح صنعتی و خودرویی را پشت سر گذاشته و عملکرد آن به سطح پیشرفته بین‌المللی رسیده است. آنها در منابع تغذیه اینورتر خورشیدی، وسایل نقلیه الکتریکی انرژی نو و شمع‌های شارژ، شبکه هوشمند، جوشکاری با فرکانس بالا، حمل و نقل ریلی، منبع تغذیه ویژه کنترل صنعتی، صنایع دفاع ملی و نظامی و سایر زمینه‌ها استفاده می‌شوند. به دلیل سوئیچینگ پرسرعت و ویژگی‌های مقاومت کم در حالت روشن، می‌تواند حتی در شرایط دمای بالا نیز ویژگی‌های الکتریکی عالی را نشان دهد، تلفات سوئیچینگ را تا حد زیادی کاهش دهد، قطعات را کوچکتر، سبک‌تر و کارآمدتر کند و قابلیت اطمینان کل سیستم را بهبود بخشد، که می‌تواند قابلیت اطمینان سیستم را بهبود بخشد. حداکثر برد توان خودروهای الکتریکی را می‌توان تا 10 درصد کاهش داد، وزن کل خودرو را می‌توان حدود 5 درصد کاهش داد و در محیط با دمای بالای شمع شارژ که برای استفاده در آن طراحی شده است، می‌توان به عملکرد ایمن و پایدار دست یافت.



اکثر مهندسان تیم اصلی تحقیق و توسعه شرکت دارای مدرک کارشناسی ارشد یا بالاتر هستند و بسیاری از دارندگان مدرک دکترا مسئول توسعه این پروژه هستند. این شرکت یک سیستم استاندارد برای نوآوری علمی و فناوری و مدیریت مالکیت معنوی ایجاد کرده است. این شرکت بسیاری از فناوری‌های اصلی را در طراحی مدار، طراحی دستگاه و فرآیند نیمه‌هادی، طراحی قابلیت اطمینان، استخراج مدل دستگاه و غیره گردآوری کرده و دارای چندین اختراع ثبت شده مستقل بین‌المللی و داخلی است.

«مهم‌ترین سلاح کشور، با شروع از تبلور، خودسازی، خوداتکایی و دستیابی به موفقیتی صد ساله» هدف مشترک Guojing Micro Semiconductor است. ما فضای توسعه عالی را برای کارمندان خود فراهم می‌کنیم و محصولات و خدمات با کیفیتی را به مشتریان خود ارائه می‌دهیم. ما صمیمانه مشتاقانه منتظر آینده‌ای برد-برد با شما هستیم. .

سلب مسئولیت: این مقاله از "شبکه" کپی شده است و از حمایت از حقوق مالکیت معنوی حمایت می‌کند. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن