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Perché i dispositivi SIC non possono sostituire gli IGBT?
2022-03-17
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Perché i dispositivi SiC non possono sostituire gli IGBT?
Il processo di produzione e la tecnologia dei dispositivi in carburo di silicio (SiC) stanno diventando sempre più maturi. Al momento, il più grande ostacolo alla promozione del mercato è il costo. Inclusi i costi di ricerca, sviluppo e produzione, nonché il costo di pilotaggio di condensatori e resistori nell'intero circuito dopo che i dispositivi al carburo di silicio avranno sostituito gli IGBT nell'applicazione. A meno che il produttore non lo spinga e possa davvero ridurre i costi e migliorare le prestazioni. Dopotutto, costerà molto adottare cose nuove. A causa dell’influenza dei costi di produzione e della resa del prodotto, il motivo principale che attualmente impedisce ai prodotti SiC di entrare nel mercato su larga scala è il prezzo elevato, che è generalmente circa 10 volte quello di prodotti SiC simili. Sebbene sia inevitabile che i dispositivi in carburo di silicio (SiC) sostituiranno gli IGBT con il progresso tecnologico e la riduzione dei costi in futuro, e le prestazioni potrebbero essere molto elevate, non sono solo le prestazioni, ma anche il costo e l'affidabilità a poter realmente diventare la tendenza generale.
?I vantaggi applicativi dei dispositivi al carburo di silicio sono evidenti.
Alta efficienza, alta affidabilità: i prodotti SiC BJT possono raggiungere alta efficienza, alta densità di corrente ed alta affidabilità e possono funzionare senza problemi ad alta temperatura. Inoltre, SiC BJT ha un'eccellente stabilità della temperatura e le sue caratteristiche di funzionamento ad alta temperatura non sono diverse da quelle a temperatura normale. Infatti, il SiC BJT presenta tutti i vantaggi dell'IGBT e risolve tutti i colli di bottiglia nella progettazione degli IGBT. Poiché l'IGBT è pilotato dalla tensione e il SiC BJT dalla corrente, gli ingegneri progettisti potrebbero non essere abituati a sostituire inizialmente l'IGBT con il SiC BJT, ma i fornitori di dispositivi come Fairchild Semiconductor generalmente forniscono progetti di riferimento per aiutare gli ingegneri a progettare circuiti di pilotaggio. Con l'introduzione futura di chip driver speciali, sarà più semplice utilizzare il SiC BJT.
Basse perdite e riduzione dei costi: Vce del SiC BJT è ridotto del 47%, Eon del 60% e Eoff del 67%. SiC BJT può fornire la perdita di conduzione più bassa sul mercato e Ron è inferiore a 2.2 milliohm a temperatura ambiente. SiC BJT può fornire la perdita totale minima, inclusa la perdita del driver. Il BJT al carburo di silicio è l'interruttore di trasferimento di potenza da 1200 volt più efficiente della storia. Il SiC BJT raggiunge una frequenza di commutazione più elevata e le sue perdite di conduzione e commutazione sono inferiori a quelle dell'IGBT (30-50%), quindi la potenza di uscita può essere aumentata fino al 40% nello stesso sistema di dimensioni. Il circuito boost da 2 KW da 400 V a 800 V può raggiungere solo la frequenza di commutazione di 25 KHz se realizzato tramite IGBT al silicio e necessita di cinque condensatori a film sottile. Tuttavia, quando si utilizza SiC BJT, la frequenza di commutazione può raggiungere 72 KHz e sono necessari solo due condensatori a film sottile, il che riduce le dimensioni del dissipatore di calore e dell'induttore di un terzo, ovvero è possibile utilizzare induttori più piccoli, risparmiando così notevolmente il costo totale della distinta base del sistema.
Migliorare la frequenza di commutazione dell'alimentatore per ottenere un'alta frequenza: il più grande svantaggio degli IGBT tradizionali è la loro bassa velocità di commutazione e la bassa frequenza di lavoro. Quando è spento, una coda di corrente porterà alla perdita di spegnimento. La velocità di commutazione del SiC BJT è elevata e non vi è alcuno spegnimento dell'IGBT dovuto alla corrente di coda, quindi la perdita di commutazione è molto bassa. A parità di tensione nominale di tenuta, la resistenza di conduzione del SiC BJT è inferiore alla VCE(sat) dell'IGBT, il che può ridurre la perdita di conduzione del SiC BJT.
La migliore applicazione di SiC BJT è la progettazione di alimentatori con una potenza superiore a 3000 W. Molti di questi alimentatori utilizzano IGBT come apparecchiature di commutazione per ottimizzare costi ed efficienza. Se il progettista sostituisce l'IGBT con il SiC BJT, è facile aumentare notevolmente la frequenza di commutazione dell'alimentatore, riducendo così il volume del prodotto e migliorando l'efficienza di conversione. Con l'aumento della frequenza è possibile ridurre nella progettazione anche il numero di induttori e condensatori richiesti dai circuiti periferici, il che aiuta a risparmiare sui costi. D'altro canto, la velocità di commutazione del SiC BJT è molto elevata e può completare l'azione di commutazione in meno di 20 nS, addirittura più velocemente del MOSFET, quindi può essere utilizzato anche per sostituire il MOSFET. Rispetto ai dispositivi IGBT bipolari, il BJT in carburo di silicio ha una resistenza di conduzione inferiore, il che può ridurre ulteriormente la perdita di conduzione. L'elevata stabilità alle alte temperature e la bassa corrente di dispersione dei BJT in carburo di silicio hanno superato quelle degli IGBT e dei MOSFET. Inoltre, la sua resistenza interna cambia con il coefficiente di temperatura positivo, quindi può essere facilmente collegato in parallelo per la progettazione di alimentatori ad alta potenza.
Il processo di produzione e la tecnologia dei dispositivi in carburo di silicio (SiC) stanno diventando sempre più maturi. Al momento, il più grande ostacolo alla promozione del mercato è il costo. Inclusi i costi di ricerca, sviluppo e produzione, nonché il costo di pilotaggio di condensatori e resistori nell'intero circuito dopo che i dispositivi al carburo di silicio avranno sostituito gli IGBT nell'applicazione. A meno che il produttore non lo spinga e possa davvero ridurre i costi e migliorare le prestazioni. Dopotutto, costerà molto adottare cose nuove. A causa dell’influenza dei costi di produzione e della resa del prodotto, il motivo principale che attualmente impedisce ai prodotti SiC di entrare nel mercato su larga scala è il prezzo elevato, che è generalmente circa 10 volte quello di prodotti SiC simili. Sebbene sia inevitabile che i dispositivi in carburo di silicio (SiC) sostituiranno gli IGBT con il progresso tecnologico e la riduzione dei costi in futuro, e le prestazioni potrebbero essere molto elevate, non sono solo le prestazioni, ma anche il costo e l'affidabilità a poter realmente diventare la tendenza generale.
Alta efficienza, alta affidabilità: i prodotti SiC BJT possono raggiungere alta efficienza, alta densità di corrente ed alta affidabilità e possono funzionare senza problemi ad alta temperatura. Inoltre, SiC BJT ha un'eccellente stabilità della temperatura e le sue caratteristiche di funzionamento ad alta temperatura non sono diverse da quelle a temperatura normale. Infatti, il SiC BJT presenta tutti i vantaggi dell'IGBT e risolve tutti i colli di bottiglia nella progettazione degli IGBT. Poiché l'IGBT è pilotato dalla tensione e il SiC BJT dalla corrente, gli ingegneri progettisti potrebbero non essere abituati a sostituire inizialmente l'IGBT con il SiC BJT, ma i fornitori di dispositivi come Fairchild Semiconductor generalmente forniscono progetti di riferimento per aiutare gli ingegneri a progettare circuiti di pilotaggio. Con l'introduzione futura di chip driver speciali, sarà più semplice utilizzare il SiC BJT.
Basse perdite e riduzione dei costi: Vce del SiC BJT è ridotto del 47%, Eon del 60% e Eoff del 67%. SiC BJT può fornire la perdita di conduzione più bassa sul mercato e Ron è inferiore a 2.2 milliohm a temperatura ambiente. SiC BJT può fornire la perdita totale minima, inclusa la perdita del driver. Il BJT al carburo di silicio è l'interruttore di trasferimento di potenza da 1200 volt più efficiente della storia. Il SiC BJT raggiunge una frequenza di commutazione più elevata e le sue perdite di conduzione e commutazione sono inferiori a quelle dell'IGBT (30-50%), quindi la potenza di uscita può essere aumentata fino al 40% nello stesso sistema di dimensioni. Il circuito boost da 2 KW da 400 V a 800 V può raggiungere solo la frequenza di commutazione di 25 KHz se realizzato tramite IGBT al silicio e necessita di cinque condensatori a film sottile. Tuttavia, quando si utilizza SiC BJT, la frequenza di commutazione può raggiungere 72 KHz e sono necessari solo due condensatori a film sottile, il che riduce le dimensioni del dissipatore di calore e dell'induttore di un terzo, ovvero è possibile utilizzare induttori più piccoli, risparmiando così notevolmente il costo totale della distinta base del sistema.
Migliorare la frequenza di commutazione dell'alimentatore per ottenere un'alta frequenza: il più grande svantaggio degli IGBT tradizionali è la loro bassa velocità di commutazione e la bassa frequenza di lavoro. Quando è spento, una coda di corrente porterà alla perdita di spegnimento. La velocità di commutazione del SiC BJT è elevata e non vi è alcuno spegnimento dell'IGBT dovuto alla corrente di coda, quindi la perdita di commutazione è molto bassa. A parità di tensione nominale di tenuta, la resistenza di conduzione del SiC BJT è inferiore alla VCE(sat) dell'IGBT, il che può ridurre la perdita di conduzione del SiC BJT.
La migliore applicazione di SiC BJT è la progettazione di alimentatori con una potenza superiore a 3000 W. Molti di questi alimentatori utilizzano IGBT come apparecchiature di commutazione per ottimizzare costi ed efficienza. Se il progettista sostituisce l'IGBT con il SiC BJT, è facile aumentare notevolmente la frequenza di commutazione dell'alimentatore, riducendo così il volume del prodotto e migliorando l'efficienza di conversione. Con l'aumento della frequenza è possibile ridurre nella progettazione anche il numero di induttori e condensatori richiesti dai circuiti periferici, il che aiuta a risparmiare sui costi. D'altro canto, la velocità di commutazione del SiC BJT è molto elevata e può completare l'azione di commutazione in meno di 20 nS, addirittura più velocemente del MOSFET, quindi può essere utilizzato anche per sostituire il MOSFET. Rispetto ai dispositivi IGBT bipolari, il BJT in carburo di silicio ha una resistenza di conduzione inferiore, il che può ridurre ulteriormente la perdita di conduzione. L'elevata stabilità alle alte temperature e la bassa corrente di dispersione dei BJT in carburo di silicio hanno superato quelle degli IGBT e dei MOSFET. Inoltre, la sua resistenza interna cambia con il coefficiente di temperatura positivo, quindi può essere facilmente collegato in parallelo per la progettazione di alimentatori ad alta potenza.
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