シリコンと比較した炭化ケイ素の利点は何ですか?

説明する

電気は、炭化ケイ素 (SiC) や窒化ガリウム (GaN) などのワイドバンドギャップ (WBG) 材料に向けて発展しています。シリコンは依然として市場を支配していますが、SiC および GaN デバイスは、より効率的な新世代の技術ソリューションを間もなく誕生させるでしょう。フランスに本部を置く市場調査機関 Yole Dé によると、 Veloppement は、2025 年までに SiC デバイスの収益がパワー エレクトロニクス市場全体の 10% 以上を占め、GaN デバイスの収益が 2% を超えると予測しています。SiC コンポーネントの有名なサプライヤーには、stmicroelectronics (ST)、Cree/Wolfspeed、Roma、Infineon、On Semiconductor、三菱電機などがあります。Cree は、初の商用 900V SiC パワー MOSFET と Wolfspeed 650V SiC MOSFET ポートフォリオを発表しました。 Microchip 社と ROHM 社はともに SiC MOSFET とダイオードをリリースしています。 Feiling は 650 つの XNUMXV CoolSiC MOSFET デバイスを発表しました。 。 .. 。 このことから、すべての大手メーカーが SiC 材料において独自のレイアウトと開発戦略を持っていることがわかります。シリコンと比べて炭化ケイ素の性能上の利点は何ですか?シリコンは長い間、ほとんどの電子用途において主要な半導体材料でしたが、SiC と比較すると非効率です。 現在、SiC は、高効率および高出力デバイスの開発におけるエネルギーとコストの課題に対処するために、多くの用途、特に電気自動車に採用されています。SiC は純粋なシリコンと炭素で構成されています。シリコンと比較して、SiC には 3 つの利点があります。それは、より高い臨界アバランシェ降伏電界強度、より高い熱伝導率、およびより広いバンドギャップです。SiC は 3 電子ボルト (eV) の広いバンドギャップを持ち、アバランシェ降伏を起こすことなくシリコンの 8 倍の電圧勾配に耐えることができます。 バンドギャップが広いほど、高温時の漏れ電流が小さくなり、効率が高くなります。 熱伝導率が大きいほど、電流密度は高くなります。

図 1: シリコンと比較した炭化ケイ素の性能上の利点

SiC基板は電界強度が高いため、より薄いベース構造を使用でき、その厚さはシリコンエピタキシャル層のわずか10分の1で済みます。 さらに、SiCのドーピング濃度はシリコンの2倍であるため、デバイスの表面抵抗が減少し、導通損失も大幅に減少します。SiC は、シリコンを確実に代替できる技術として認識されています。 パワーモジュールやパワーインバーターの多くのメーカーは、将来の製品ロードマップで SiC テクノロジーを使用することを計画しています。このワイドバンドギャップ技術は、特定の負荷下でのスイッチング損失と伝導損失を大幅に低減し、熱放散管理を改善し、前例のないエネルギー効率を実現します。 パワーエレクトロニクスシステムでは、高いエネルギー密度を確保し、回路規模を縮小するための放熱設計が非常に重要です。 SiC の熱伝導率はシリコン半導体の 3 倍であるため、これらの用途では理想的な半導体材料となります。SiC テクノロジーは、モーター、ドライバー、インバーターなどの高出力プロジェクトに適しています。 電動ドライバーのメーカーは、より高いスイッチング周波数に対するコンバータの需要を満たす新しい駆動回路を開発し、電磁干渉 (EMI) を低減するためにより複雑で独創的なトポロジーを採用しています。SiC デバイスは、必要な外部コンポーネントが少なく、システム レイアウトの信頼性が高く、製造コストが低くなります。 効率が高く、全体のサイズが小さく、重量が軽いため、インテリジェントな設計に必要な冷却要件もそれに応じて軽減されます。炭化ケイ素の応用

電気自動車・ハイブリッドカー

いくつかの自動車メーカーは、新しい電力コンセプトを使用して、ハイブリッド車や電気自動車を市場に導入することに率先して取り組んでいます。 これらの車両には、エンジンに電力を供給するための周波数コンバーター (最大 300kW)、3.6kW ～ 22kW の車両用バッテリー充電器、3.6kW ～ 22kW の誘導充電器 (ワイヤレス充電)、最大 5kW の DC/DC コンバーター、インバーターなどの新しいデバイスとシステムが搭載されています。エアコンやパワーステアリングなどの補機負荷用。高電圧バッテリーは、ハイブリッド車や電気自動車の開発に対する主な障害の 1 つです。 SiC を使用することで、自動車メーカーはバッテリーのサイズを削減し、電気自動車の総コストを削減できます。また、SiCは放熱性能に優れているため、メーカーはパワートレイン機器の冷却コストも削減できます。 これは電気自動車の重量とコストの削減に役立ちます。電気自動車/ハイブリッド自動車は、アンソン セミコンダクターの SiC 戦略的主要市場の 1 つでもあります。 最近開催された「Anson Semiconductor Silicon Carbide Strategy and Scheme」のオンラインメディア交換会で、同社電源スキーム部門製品マーケティングマネージャーのWang Limin氏は次のように述べた。電気自動車は炭化ケイ素の主な原動力の 60 つであり、炭化ケイ素市場の総容量の約 XNUMX% を占めています。 メインドライブ、OBC、DC-DC に使用される炭化ケイ素デバイスは効率を大幅に向上させることができるため、電気自動車の耐久性を向上させることができます。 これらの利点に基づいて、現在、主駆動インバータのほぼすべてのメーカーが炭化ケイ素を主駆動方向として採用しています。

図 2: 電気自動車は炭化ケイ素の主な原動力の XNUMX つです。

車載充電器には、ダイオードや MOSFET などのさまざまな電力変換デバイスが含まれています。 その目的は、小型の受動部品を使用してパワーエレクトロニクス回路を一体化し、体積を小さくすることです。この目標は、使用する半導体デバイスを同じ回路内で高いスイッチング周波数で制御できれば達成できます。 ただし、シリコンの放熱性能が低いため、高スイッチング周波数のソリューションは適していません。 SiC MOSFET はこのようなアプリケーションに最適なソリューションを提供します。現在、ほとんどの OBC および DC-DC メーカーは、高効率、高電圧、高周波のパワー デバイスとして炭化ケイ素デバイスを使用しています。たとえば、王立民カリフォルニア州は、5年までに電気自動車2030万台を走行させるという目標を達成する大統領令に署名した。ヨーロッパには、すべての電気自動車が燃料自動車に取って代わるスケジュールもあります。中国の主要一級都市では、電気自動車の免許を無料で取得できる。これらすべての政策は電気自動車の大幅な成長を促進し、高電圧、高周波、高効率デバイスに対する電気自動車の需要も炭化ケイ素市場の大幅な成長を促進しました。5G電源とスイッチング電源5G 電源およびスイッチング電源 (SMPS) 分野は、アンソン セミコンダクターにとって炭化ケイ素の第 XNUMX の戦略市場です。従来のスイッチング電源の分野は昇圧および高電圧電源であり、常に電力密度に対する高い要件がありました。通信電源の初期のゴールド スタンダードおよびシルバー スタンダードから、現在の 5G 通信電源およびクラウド データセンター電源まで、これらはすべて高いエネルギー効率に対する高い要件を備えています。「炭化ケイ素デバイスには逆回復がないため、電源のエネルギー効率が 98% に達する可能性があります。 そして、5G電源は現在、炭化ケイ素デバイスの最も伝統的で比較的大きな市場です。 」 王立民氏は語った。

図3：炭化ケイ素は5G電源やスイッチング電源に使用可能。

電気自動車の充電パイル電気自動車の充電パイルも、当社の炭化ケイ素の戦略的市場の 1 つです。 杭の充電には多くのスキームがありますが、現在、消費者は DC 急速充電に最も関心を持っています。急速 DC 充電による充電パイルは、非常に大きな充電電力と非常に高い充電効率を必要とし、これらすべてを高電圧で実現する必要があります。電気自動車の充電パイルの応用では、シリコンカーバイドがブーストダイオードであっても出力ダイオードであっても、メインスイッチを使用するシリコンカーバイド MOSFET の充電パイル方式が多くあり、その応用展望は非常に広範囲です。

図 4: 電気自動車の充電パイルも炭化ケイ素の応用分野です。

ソーラーインバータ

太陽光発電インバータの分野では、シリコンカーバイドダイオードの使用も非常に多くなっています。 太陽光発電インバーターの設置は年々増加し続けており、今後15～1年でエネルギーの10％（現在は15％）が太陽光エネルギーによるものになると推定されています。 太陽エネルギーは無料で無尽蔵です。 国内政策が導入され、個人が太陽光発電を州の送電網に販売できるようになった。炭化珪素半導体は太陽光発電インバーターの昇圧に応用できます。 太陽光発電インバータのコストの最適化に伴い、多くのメーカーがシリコンカーバイド MOSFET をメインのインバータデバイスとして使用し、従来の 3 レベル (インバータ) 制御の複雑な回路を置き換えることになります。 王立民氏は「政策推進の観点から言えば、EUは20-20-20の目標を掲げている。つまり、2020年までにエネルギー効率を20％向上させ、二酸化炭素排出量を20％削減し、再生可能エネルギーを導入する」と述べた。 20％に達するでしょう。 NEA はまた、20 年までに中国のエネルギー需要の 2030% を満たすというクリーン エネルギー目標も設定しています。」

図 5: 太陽光発電インバーターにおける炭化ケイ素の応用

タグ

長期信頼性はSiC MOSFETの象徴となっています。 半導体メーカーの次の課題は、従来のシリコントランジスタと SiC ダイオードを同じ物理デバイスに統合した、マルチチップパワーモジュールまたはハイブリッドモジュールを開発することです。 降伏電圧が高いため、これらのモジュールは高温でも動作できます。 また、装置のサイズをさらに縮小しながら高効率を実現できます。現在の市場価格の観点から見ると、SiC MOSFETはシリコンIGBTに対してシステムレベルで優位性を持っています。さらに、150mmウェーハ製造の普及に伴い、SiC MOSFETの価格は引き続き低下すると予想されます。一部のメーカーは 200mm (8 インチ) ウェーハの生産を開始しています。 ウェーハサイズの増加に伴い、ダイあたりのコストは減少しますが、歩留まりも低下する可能性があります。 したがって、製造業者は常にプロセスを改善する必要があります。しかし、SiCデバイスは製造コストが高く、量産できないため、広く普及するのは困難です。 SiC デバイスの大量生産には、適切に設計された堅牢なアーキテクチャと製造プロセスが必要です。たとえば、ウェーハテストでは、テストされるデバイスのサイズが小さく、より高い電流および電圧範囲で動作することが求められます。これらの問題が解決されれば、OEM設計者はより多くのSiCデバイスを採用し、その優れた電気特性を最大限に活用して、システムコストを大幅に削減し、全体の効率を向上させるでしょう。

免責事項: この記事は「Electronic Enthusiasts」から転載されたものです。この記事は著者の個人的な見解のみを表すものであり、Sacco Micro および業界の見解を表すものではありません。知的財産権の保護をサポートするため、転載および共有のみを目的としています。転載する場合は出典と作者を明記してください。侵害がある場合は、削除するためにご連絡ください。

会社電話番号: +86-0755-83044319
ファックス/ファックス:+86-0755-83975897
Eメール：1615456225@qq.com
QQ: 332496225 邱マネージャー
住所: 深セン市龍華新区民志大道809号、Zhantao Technology Building、Cブロック、1079号室