Apa kelebihan silikon karbida dibandingkan silikon?

Menggambarkan

Listrik berkembang menuju material celah pita lebar (WBG) seperti silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN). Meskipun silikon masih mendominasi pasar, perangkat SiC dan GaN akan segera melahirkan solusi teknis generasi baru yang lebih efisien.Menurut Yole Dé, sebuah organisasi riset pasar yang berkantor pusat di Perancis; Veloppement memperkirakan bahwa pada tahun 2025, pendapatan perangkat SiC akan mencapai lebih dari 10% dari keseluruhan pasar elektronika daya, dan pendapatan perangkat GaN akan melebihi 2%.Pemasok komponen SiC yang terkenal antara lain stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor, dan Mitsubishi Electric.Cree memperkenalkan portofolio MOSFET daya SiC 900V komersial pertama dan portofolio MOSFET SiC Wolfspeed 650V; Microchip dan ROHM telah merilis SiC MOSFET dan dioda; Feiling telah memperkenalkan delapan perangkat MOSFET CoolSiC 650V. . .。 . Terlihat dari ini bahwa semua produsen besar memiliki tata letak dan strategi pengembangan material SiC masing-masing.Apa keunggulan kinerja silikon karbida dibandingkan silikon?Silikon telah lama menjadi bahan semikonduktor utama dalam sebagian besar aplikasi elektronik, namun dibandingkan dengan SiC, bahan ini tidak efisien. Saat ini, SiC telah diadopsi oleh banyak aplikasi, terutama kendaraan listrik, untuk memenuhi tantangan energi dan biaya dalam mengembangkan perangkat berefisiensi tinggi dan berdaya tinggi.SiC terdiri dari silikon murni dan karbon. Dibandingkan dengan silikon, SiC memiliki tiga keunggulan: kekuatan medan pemecahan longsoran kritis yang lebih tinggi, konduktivitas termal yang lebih tinggi, dan celah pita yang lebih lebar.SiC memiliki celah pita lebar sebesar 3 elektron volt (eV), dan dapat menahan gradien tegangan 8 kali lebih besar dibandingkan silikon tanpa kerusakan longsor. Semakin lebar celah pita, semakin kecil arus bocor pada temperatur tinggi dan semakin tinggi efisiensinya. Semakin besar konduktivitas termal, semakin tinggi rapat arus.

Gambar 1: Keunggulan kinerja silikon karbida dibandingkan silikon

Substrat SiC memiliki kekuatan medan listrik yang lebih tinggi, sehingga struktur dasar yang lebih tipis dapat digunakan, dan ketebalannya mungkin hanya sepersepuluh dari lapisan epitaksi silikon. Selain itu, konsentrasi doping SiC 2 kali lebih tinggi dibandingkan silikon, sehingga resistansi permukaan perangkat berkurang, dan kehilangan konduksi juga berkurang secara signifikan.SiC telah diakui sebagai teknologi yang andal dapat menggantikan silikon. Banyak produsen modul daya dan inverter daya berencana menggunakan teknologi SiC dalam peta jalan produk mereka di masa depan.Teknologi celah pita lebar ini sangat mengurangi kehilangan peralihan dan kehilangan konduksi pada beban tertentu, meningkatkan manajemen pembuangan panas, dan memberikan efisiensi energi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dalam sistem elektronika daya, desain pembuangan panas sangat penting, yang dapat memastikan kepadatan energi yang tinggi dan mengurangi ukuran sirkuit. Dalam aplikasi ini, SiC merupakan bahan semikonduktor yang ideal karena konduktivitas termalnya tiga kali lipat dari semikonduktor silikon.Teknologi SiC cocok untuk proyek dengan daya tinggi, seperti motor, driver, dan inverter. Produsen penggerak listrik sedang mengembangkan sirkuit penggerak baru untuk memenuhi permintaan konverter akan frekuensi peralihan yang lebih tinggi, dan mengadopsi topologi yang lebih kompleks dan cerdik untuk mengurangi interferensi elektromagnetik (EMI).Perangkat SiC memerlukan lebih sedikit komponen eksternal, tata letak sistem yang lebih andal, dan biaya produksi yang lebih rendah. Dengan efisiensi yang lebih tinggi, ukuran keseluruhan yang lebih kecil, dan bobot yang lebih ringan, kebutuhan pendinginan desain cerdas juga berkurang.Penerapan silikon karbida

Mobil listrik/mobil hybrid

Beberapa produsen mobil telah memimpin dalam memperkenalkan kendaraan hibrida dan listrik di pasar dengan menggunakan konsep tenaga baru. Kendaraan ini dilengkapi perangkat dan sistem baru, seperti konverter frekuensi (hingga 300kW) untuk menggerakkan mesin, pengisi daya baterai kendaraan 3.6kW hingga 22kW, pengisi daya induksi 3.6 kW hingga 22kW (pengisian daya nirkabel), konverter DC/DC hingga 5kW, dan inverter untuk beban tambahan seperti AC dan sistem power steering.Baterai bertegangan tinggi merupakan salah satu kendala utama pengembangan kendaraan hybrid dan listrik. Dengan menggunakan SiC, produsen mobil dapat mengurangi ukuran baterai dan total biaya kendaraan listrik.Selain itu, karena SiC memiliki kinerja pembuangan panas yang baik, produsen juga dapat mengurangi biaya pendinginan perangkat powertrain. Hal ini membantu mengurangi bobot dan biaya kendaraan listrik.Kendaraan listrik/kendaraan hybrid juga merupakan salah satu pasar utama strategis SiC Anson Semiconductor. Pada pertemuan pertukaran media online "Strategi dan Skema Silikon Karbida Semikonduktor Anson" yang diadakan baru-baru ini, Wang Limin, manajer pemasaran produk departemen skema pasokan listrik perusahaan, mengatakan,Kendaraan listrik adalah salah satu penggerak utama silikon karbida, menyumbang sekitar 60% dari total kapasitas pasar silikon karbida. Perangkat silikon karbida yang digunakan pada penggerak utama, OBC dan DC-DC dapat sangat meningkatkan efisiensi, sehingga dapat meningkatkan ketahanan kendaraan listrik. Berdasarkan keunggulan tersebut, saat ini hampir semua produsen inverter penggerak utama menggunakan silikon karbida sebagai arah penggerak utama.

Gambar 2: Kendaraan listrik adalah salah satu penggerak utama silikon karbida.

Pengisi daya kendaraan berisi berbagai perangkat konversi daya, seperti dioda dan MOSFET. Tujuannya adalah untuk memperkecil volume rangkaian elektronika daya dengan menggunakan komponen pasif berukuran kecil, sehingga dapat mengintegrasikan semuanya.Tujuan ini dapat tercapai jika perangkat semikonduktor yang digunakan dapat dikontrol dalam satu rangkaian dengan frekuensi switching yang tinggi. Namun, karena kinerja pembuangan panas silikon yang buruk, solusi frekuensi peralihan tinggi tidak cocok. SiC MOSFET memberikan solusi ideal untuk aplikasi tersebut.Saat ini, sebagian besar produsen OBC dan DC-DC menggunakan perangkat silikon karbida sebagai perangkat daya berefisiensi tinggi, bertegangan tinggi, dan berfrekuensi tinggi.Wang Limin, misalnya,California telah menandatangani perintah eksekutif untuk mencapai tujuan 5 juta kendaraan listrik di jalan pada tahun 2030;Eropa juga memiliki jadwal bagi semua kendaraan listrik untuk menggantikan kendaraan berbahan bakar;Di kota-kota besar tingkat pertama di Tiongkok, kendaraan listrik dapat diberi lisensi secara gratis.Semua kebijakan ini telah mendorong pertumbuhan besar kendaraan listrik, dan permintaan kendaraan listrik untuk perangkat bertegangan tinggi, frekuensi tinggi, dan efisiensi tinggi juga telah mendorong pertumbuhan besar pasar silikon karbida.Catu daya 5G dan catu daya switchingBidang catu daya dan switching power supply (SMPS) 5G adalah pasar strategis kedua silikon karbida untuk Anson Semiconductor.Bidang catu daya switching tradisional adalah Boost dan catu daya tegangan tinggi, yang selalu memiliki persyaratan kepadatan daya yang tinggi. Dari catu daya komunikasi standar emas dan perak yang paling awal hingga catu daya komunikasi 5G dan catu daya pusat data cloud saat ini, semuanya memiliki persyaratan tinggi untuk efisiensi energi yang tinggi.“Perangkat silikon karbida tidak memiliki reverse recovery, sehingga pasokan listriknya hemat energi yang bisa mencapai 98%. Dan catu daya 5G adalah pasar perangkat silikon karbida yang paling tradisional dan relatif besar saat ini. " kata Wang Limin.

Gambar 3: Silikon karbida dapat digunakan pada catu daya 5G dan catu daya switching.

Tumpukan pengisian kendaraan listrikTumpukan pengisian kendaraan listrik juga merupakan salah satu pasar strategis kami untuk silikon karbida. Ada banyak skema untuk pengisian tumpukan, dan sekarang konsumen paling tertarik dengan pengisian cepat DC.Tumpukan pengisian daya dengan pengisian DC cepat memerlukan daya pengisian yang sangat besar dan efisiensi pengisian yang sangat tinggi, yang kesemuanya perlu diwujudkan dengan tegangan tinggi.Dalam penerapan tumpukan pengisian kendaraan listrik, baik silikon karbida dalam Boost atau dioda keluaran, terdapat banyak skema tumpukan pengisian MOSFET silikon karbida yang menggunakan sakelar utama, dan prospek penerapannya sangat luas.

Gambar 4: Tumpukan pengisian kendaraan listrik juga merupakan bidang aplikasi silikon karbida.

Inverter surya

Di bidang inverter surya, penggunaan dioda silikon karbida juga sangat besar. Pemasangan inverter surya terus meningkat setiap tahunnya, dan diperkirakan 15% energi (saat ini 1%) akan berasal dari energi surya dalam 10~15 tahun ke depan. Energi matahari gratis dan tidak ada habisnya. Kebijakan dalam negeri telah diberlakukan, dan individu dapat menjual tenaga surya ke jaringan listrik negara."Semikonduktor silikon karbida dapat diterapkan untuk meningkatkan inverter surya. Dengan optimalisasi biaya inverter surya, banyak produsen akan menggunakan MOSFET silikon karbida sebagai perangkat inverter utama untuk menggantikan rangkaian kompleks kontrol tiga tingkat (inverter) yang asli. " Wang Limin berkata, "Dalam hal penggerak kebijakan, UE memiliki target 20-20-20, yaitu pada tahun 2020, efisiensi energi akan meningkat sebesar 20%, emisi karbon dioksida akan berkurang sebesar 20%, dan energi terbarukan akan mencapai 20%. NEA juga telah menetapkan target energi bersih untuk memenuhi 20% permintaan energi Tiongkok pada tahun 2030.”

Gambar 5: Penerapan Silicon Carbide pada Solar Inverter

label

Keandalan jangka panjang telah menjadi simbol SiC MOSFET. Tugas produsen semikonduktor selanjutnya adalah mengembangkan modul daya multi-chip atau modul hybrid, mengintegrasikan transistor silikon tradisional dan dioda SiC pada perangkat fisik yang sama. Dengan tegangan tembus yang lebih tinggi, modul ini dapat bekerja pada suhu yang lebih tinggi. Mereka juga dapat memberikan efisiensi tinggi sekaligus mengurangi ukuran peralatan.Dari sudut pandang harga pasar saat ini, MOSFET SiC memiliki keunggulan sistemik dibandingkan IGBT silikon. Selain itu, dengan meluasnya adopsi manufaktur wafer 150mm, harga MOSFET SiC diperkirakan akan terus menurun.Beberapa produsen sudah mulai memproduksi wafer 200mm (8 inci). Dengan bertambahnya ukuran wafer, biaya per cetakan akan menurun, namun hasil juga dapat menurun. Oleh karena itu, produsen harus terus meningkatkan proses produksinya.Namun, karena tingginya biaya produksi perangkat SiC dan kurangnya produksi massal, perangkat ini sulit digunakan secara luas. Produksi massal perangkat SiC memerlukan arsitektur dan proses manufaktur yang kuat dan dirancang dengan baik. Misalnya, dalam pengujian wafer, perangkat yang diuji harus berukuran lebih kecil dan bekerja pada rentang arus dan tegangan yang lebih tinggi.Setelah masalah ini teratasi, perancang OEM akan mengadopsi lebih banyak perangkat SiC, memanfaatkan sepenuhnya karakteristik kelistrikan yang baik, mengurangi biaya sistem secara signifikan, dan meningkatkan efisiensi secara keseluruhan.

Penafian: Artikel ini direproduksi dari "Penggemar Elektronik". Artikel ini hanya mewakili pandangan pribadi penulis, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ini hanya untuk dicetak ulang dan dibagikan untuk mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber asli dan penulisnya saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Telp Perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Manajer Qiu
Alamat: Kamar 809, Blok C, Gedung Teknologi Zhantao, No.1079 Minzhi Avenue, Distrik Baru Longhua, Shenzhen