מהם היתרונות של סיליקון קרביד בהשוואה לסיליקון?

לתאר

חשמל מתפתח לעבר חומרים רחבי פס (WBG) כגון סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN). למרות שסיליקון עדיין שולט בשוק, מכשירי SiC ו-GaN יולידו בקרוב דור חדש של פתרונות טכניים יעילים יותר.לדברי Yole Dé, ארגון מחקרי שוק שבסיסו בצרפת; Veloppement מעריכה שעד 2025, ההכנסות של מכשירי SiC יהוו יותר מ-10% משוק האלקטרוניקה הכוללת, וההכנסות של מכשירי GaN יעלו על 2%.ספקים ידועים של רכיבי SiC כוללים stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor ומיצובישי אלקטריק.קרי הציגה את תיק ה-MOSFET המסחרי הראשון של SiC בהספק 900V ואת תיק ה-MOSFET של Wolfspeed 650V SiC; מיקרוצ'יפ ו-ROHM הוציאו שתיהן לשוק MOSFET ודיודה של SiC; חברת Feiling הציגה שמונה התקני MOSFET CoolSiC בהספק של 650 וולט. . .. . ניתן לראות מכך שלכל היצרנים הגדולים יש פריסה ואסטרטגיות פיתוח משלהם בחומרי SiC.מה יתרון הביצועים של סיליקון קרביד על פני סיליקון?הסיליקון הוא כבר מזמן חומר המוליך למחצה המפתח ברוב היישומים האלקטרוניים, אך בהשוואה ל-SiC, הוא אינו יעיל. בימינו, SiC אומצה על ידי יישומים רבים, במיוחד רכבים חשמליים, כדי לעמוד באתגרי האנרגיה והעלות של פיתוח מכשירים בעלי יעילות גבוהה והספק גבוה.SiC מורכב מסיליקון טהור ופחמן. בהשוואה לסיליקון, ל-SiC שלושה יתרונות: חוזק שדה קריטי גבוה יותר של פירוק מפולת, מוליכות תרמית גבוהה יותר ופער פס רחב יותר.ל-SiC פער פס רחב של 3 וולט אלקטרוני (eV), והוא יכול לעמוד בשיפוע מתח גדול פי 8 מזה של סיליקון ללא התמוטטות מפולת. ככל שמרווח הרצועה רחב יותר, זרם הדליפה קטן יותר בטמפרטורה גבוהה והיעילות גבוהה יותר. ככל שהמוליכות התרמית גדולה יותר, כך צפיפות הזרם גבוהה יותר.

איור 1: יתרונות הביצועים של סיליקון קרביד בהשוואה לסיליקון

למצע SiC יש חוזק שדה חשמלי גבוה יותר, כך שניתן להשתמש במבנה בסיס דק יותר, ועוביו עשוי להיות רק עשירית מזה של שכבת הסיליקון האפיטקסיאלית. בנוסף, ריכוז הסימום של SiC גבוה פי 2 מזה של סיליקון, כך שהתנגדות פני השטח של המכשיר מופחתת, וגם אובדן ההולכה מופחת באופן משמעותי.SiC הוכר כטכנולוגיה שיכולה להחליף באופן מהימן את הסיליקון. יצרנים רבים של מודולי חשמל וממירי חשמל תכננו להשתמש בטכנולוגיית SiC במפות הדרכים העתידיות של המוצרים שלהם.טכנולוגיית פערי פס רחב זו מפחיתה מאוד את אובדן המיתוג ואובדן ההולכה בעומסים ספציפיים, משפרת את ניהול פיזור החום ומספקת יעילות אנרגטית חסרת תקדים. במערכת אלקטרונית כוח, עיצוב פיזור חום חשוב מאוד, מה שיכול להבטיח צפיפות אנרגיה גבוהה ולהפחית את גודל המעגל. ביישומים אלה, SiC הוא חומר מוליך למחצה אידיאלי מכיוון שהמוליכות התרמית שלו היא פי שלושה מזו של מוליכים למחצה סיליקון.טכנולוגיית SiC מתאימה לפרויקטים בעלי הספק גבוה, כגון מנועים, דרייברים וממירים. יצרני נהגים חשמליים מפתחים מעגלי הנעה חדשים כדי לענות על הדרישה של הממיר לתדר מיתוג גבוה יותר, ומאמצים טופולוגיה מורכבת וגאונית יותר להפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).התקני SiC דורשים פחות רכיבים חיצוניים, פריסת מערכת אמינה יותר ועלות ייצור נמוכה יותר. עם יעילות גבוהה יותר, גודל כללי קטן יותר ומשקל קל יותר, דרישות הקירור של עיצוב חכם מצטמצמות בהתאם.יישום של סיליקון קרביד

מכונית חשמלית/מכונית היברידית

כמה יצרני רכב לקחו את ההובלה בהצגת כלי רכב היברידיים וחשמליים בשוק על ידי שימוש במושגי כוח חדשים. רכבים אלו מכילים מכשירים ומערכות חדשות, כגון ממירי תדר (עד 300kW) להנעת מנועים, מטעני סוללות לרכב 3.6kW עד 22kW, מטעני אינדוקציה של 3.6kW עד 22kW (טעינה אלחוטית), ממירי DC/DC עד 5kW וממירים לעומסי עזר כגון מזגנים ומערכות הגה כוח.סוללת מתח גבוה היא אחד המכשולים העיקריים בפיתוח כלי רכב היברידיים וחשמליים. באמצעות SiC, יצרני רכב יכולים להפחית את גודל הסוללה ואת העלות הכוללת של כלי רכב חשמליים.בנוסף, מכיוון של-SiC יש ביצועי פיזור חום טובים, יצרנים יכולים גם להפחית את העלות של קירור התקני כוח. זה עוזר להפחית את המשקל והעלות של כלי רכב חשמליים.רכב חשמלי/רכב היברידי הוא גם אחד משווקי המפתח האסטרטגיים של SiC של Anson Semiconductor. בפגישת חילופי מדיה מקוונת של "אנסון סמיקונדקטור סיליקון קרביד אסטרטגיה וסכמה" שהתקיימה לאחרונה, אמר וואנג לימין, מנהל שיווק מוצרים של מחלקת אספקת החשמל של החברה,רכב חשמלי הוא אחד הכוחות המניעים העיקריים של סיליקון קרביד, המהווה כ-60% מסך קיבולת שוק הסיליקון קרביד. התקני סיליקון קרביד המשמשים בכונן הראשי, OBC ו-DC-DC יכולים לשפר מאוד את היעילות, כך שהם יכולים להגביר את הסיבולת של כלי רכב חשמליים. בהתבסס על יתרונות אלה, נכון לעכשיו, כמעט כל היצרנים של מהפך כונן ראשי לוקחים סיליקון קרביד ככיוון הכונן הראשי.

איור 2: רכב חשמלי הוא אחד הכוחות המניעים העיקריים של סיליקון קרביד.

מטען הרכב מכיל מגוון התקני המרת חשמל, כגון דיודות ו-MOSFET. מטרתו היא להקטין את נפח המעגלים האלקטרוניים באמצעות רכיבים פסיביים בגודל קטן, כדי לשלב את כולם יחד.ניתן להשיג מטרה זו אם ניתן לשלוט בהתקני המוליכים למחצה המשמשים באותו מעגל עם תדר מיתוג גבוה. עם זאת, בשל ביצועי פיזור החום הירודים של סיליקון, פתרון תדר המיתוג הגבוה אינו מתאים. שבב MOSFET SiC מספק פתרון אידיאלי עבור יישומים כאלה.כיום, רוב יצרני OBC ו-DC-DC משתמשים בהתקני סיליקון קרביד כמכשירי יעילות גבוהה, מתח גבוה ותדר גבוה.וואנג לימין, למשל,קליפורניה חתמה על צו ביצוע להשגת היעד של 5 מיליון כלי רכב חשמליים על הכביש עד 2030;לאירופה יש גם לוח זמנים לכל כלי הרכב החשמליים שיחליפו את רכבי הדלק;בערים הגדולות בדרג הראשון של סין, ניתן לקבל רישיון לרכב חשמלי בחינם.כל המדיניות הללו קידמו את הצמיחה המשמעותית של כלי רכב חשמליים, והביקוש של רכבים חשמליים למכשירי מתח גבוה, תדר גבוה ויעילות גבוהה קידמה גם את הצמיחה המשמעותית של שוק הסיליקון קרביד.ספק כוח 5G וספק כוח מיתוגתחום אספקת החשמל של 5G ואספקת המתח (SMPS) הוא השוק האסטרטגי השני של סיליקון קרביד עבור Anson Semiconductor.תחום אספקת החשמל המיתוג המסורתי הוא Boost וספק כוח במתח גבוה, שתמיד היו לו דרישות גבוהות לצפיפות הספק. מתקן הזהב והכסף המוקדם ביותר של ספק כוח תקשורת ועד לספק הכוח הנוכחי של תקשורת 5G ואספקת הכוח של מרכז הנתונים בענן, לכל אלה יש דרישות גבוהות ליעילות אנרגטית גבוהה."להתקני סיליקון קרביד אין התאוששות הפוכה, מה שהופך את ספק הכוח לחסכוני באנרגיה, שיכול להגיע ל-98%. ואספקת כוח 5G היא השוק המסורתי והגדול יחסית של התקני סיליקון קרביד כיום. " אמר וואנג לימין.

איור 3: ניתן להשתמש בסיליקון קרביד באספקת חשמל של 5G ובספק כוח מיתוג.

ערימת טעינה לרכב חשמליערימת טעינה לרכב חשמלי היא גם אחד מהשווקים האסטרטגיים שלנו לסיליקון קרביד. ישנן תוכניות רבות לטעינת ערימות, וכעת הצרכנים מתעניינים ביותר בטעינה מהירה DC.ערימת הטעינה עם טעינת DC מהירה זקוקה להספק טעינה גדול מאוד ויעילות טעינה גבוהה מאוד, כל אלה צריכים להתממש על ידי מתח גבוה.ביישום ערימת טעינה לרכב חשמלי, בין אם סיליקון קרביד הוא בדיודת Boost או בדיודת פלט, ישנן תוכניות ערימת טעינה רבות של MOSFET סיליקון קרביד המשתמשות במתג הראשי, וסיכויי היישום שלהן רחבים מאוד.

איור 4: ערימת טעינה לרכב חשמלי היא גם תחום יישום של סיליקון קרביד.

מהפך סולארי

בתחום הממיר הסולארי, השימוש בדיודת סיליקון קרביד הוא גם גדול מאוד. התקנת ממירים סולאריים ממשיכה לגדול מדי שנה, וההערכה היא ש-15% מהאנרגיה (כיום 1%) יגיעו מאנרגיה סולארית ב-10~15 השנים הבאות. אנרגיה סולארית היא בחינם ובלתי נדלית. מדיניות מקומית הוצגה, ואנשים יכולים למכור חשמל סולארי לרשת המדינה."ניתן להחיל מוליך למחצה סיליקון קרביד על Boost של מהפך סולארי. עם אופטימיזציה של עלות הממיר הסולארי, יצרנים רבים ישתמשו ב-MOSFET מסיליקון קרביד כמכשיר הממיר העיקרי כדי להחליף את מעגל הבקרה המקורי בעל שלוש הרמות (ממיר). וואנג לימין אמר, "במונחים של מדיניות, לאיחוד האירופי יש יעד של 20-20-20, כלומר עד שנת 2020, היעילות האנרגטית תוגדל ב-20%, פליטת הפחמן הדו-חמצני תופחת ב-20% ואנרגיה מתחדשת. יגיע ל-20%. NEA גם קבעה יעד אנרגיה נקייה לעמוד ב-20% מהביקוש לאנרגיה של סין עד 2030".

איור 5: יישום של סיליקון קרביד במהפך סולארי

תג

אמינות לטווח ארוך הפכה לסמל של טרנזיסטורי MOSFET של SiC. המשימה הבאה של יצרני מוליכים למחצה היא לפתח מודולי הספק מרובי שבבים או מודולים היברידיים, המשלבים טרנזיסטורים מסורתיים מסיליקון ודיודות SiC באותו התקן פיזי. עם מתח פירוק גבוה יותר, מודולים אלה יכולים לעבוד בטמפרטורה גבוהה יותר. הם יכולים גם לספק יעילות גבוהה תוך צמצום נוסף של גודל הציוד.מנקודת מבט של מחיר השוק הנוכחי, ל-SiC MOSFET יש יתרון ברמת המערכת על פני IGBT מסיליקון. יתר על כן, עם האימוץ הנרחב של ייצור פרוסות סיליקון בגודל 150 מ"מ, צפוי כי מחיר ה-SiC MOSFET ימשיך לרדת.חלק מהיצרנים החלו לייצר פרוסות בגודל 200 מ"מ (8 אינץ'). עם הגדלת גודל הפרוסים, העלות לקובייה תפחת, אך התשואה עשויה גם לרדת. לכן, היצרנים חייבים לשפר כל הזמן את התהליכים שלהם.עם זאת, בשל עלות הייצור הגבוהה של מכשירי SiC והיעדר ייצור המוני, קשה לעשות שימוש נרחב. ייצור המוני של מכשירי SiC דורש ארכיטקטורה ותהליך ייצור חזק מתוכנן היטב. לדוגמה, בבדיקת פרוסות, המכשירים הנבדקים נדרשים להיות קטנים יותר בגודלם ולעבוד בטווח זרם ומתח גבוהים יותר.ברגע שהבעיות הללו ייפתרו, מעצבי OEM יאמצו יותר התקני SiC, ישתמשו במלואם במאפיינים החשמליים הטובים שלהם, יפחיתו מאוד את עלות המערכת וישפרו את היעילות הכוללת.

כתב ויתור: מאמר זה משוחזר מ"חובבי אלקטרוניקה". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, ואינו מייצג את דעותיהם של Sacco Micro והתעשייה. זה מיועד רק להדפסה מחדש ולשיתוף כדי לתמוך בהגנה על זכויות קניין רוחני. אנא ציינו את המקור והמחבר המקורי בעת ההדפסה מחדש. אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.

טל' חברה: +86-0755-83044319
פקס/פקס:+86-0755-83975897
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 מנהל Qiu
כתובת: חדר 809, בלוק C, בניין Zhantao Technology, מס' 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, שנזן