설명

전기는 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN) 등 WBG(와이드 밴드갭) 소재 쪽으로 발전하고 있다. 실리콘이 여전히 시장을 지배하고 있지만 SiC 및 GaN 장치는 곧 보다 효율적인 차세대 기술 솔루션을 탄생시킬 것입니다.프랑스에 본사를 둔 시장 조사 기관인 Yole Dé에 따르면, Veloppement는 2025년까지 SiC 장치 매출이 전체 전력 전자 시장의 10% 이상을 차지하고 GaN 장치 매출이 2%를 초과할 것으로 예상합니다.SiC 부품의 잘 알려진 공급업체로는 stmicroelectronics(ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor 및 Mitsubishi Electric이 있습니다.Cree는 최초의 상용 900V SiC 전력 MOSFET과 Wolfspeed 650V SiC MOSFET 포트폴리오를 출시했습니다. 마이크로칩과 로옴은 모두 SiC MOSFET과 다이오드를 출시했습니다. 파일링은 650개의 XNUMXV CoolSiC MOSFET 장치를 출시했습니다. . .. . 이를 통해 모든 주요 제조업체가 SiC 소재에 대해 자체 레이아웃 및 개발 전략을 가지고 있음을 알 수 있습니다.실리콘에 비해 실리콘 카바이드의 성능 이점은 무엇입니까?실리콘은 오랫동안 대부분의 전자 응용 분야에서 핵심 반도체 소재였지만 SiC와 비교하면 비효율적입니다. 오늘날 SiC는 고효율 및 고전력 장치 개발에 따른 에너지 및 비용 문제를 해결하기 위해 많은 응용 분야, 특히 전기 자동차에 채택되었습니다.SiC는 순수한 실리콘과 탄소로 구성됩니다. 실리콘에 비해 SiC는 더 높은 임계 애벌런치 항복 전계 강도, 더 높은 열 전도성, 더 넓은 밴드 갭이라는 세 가지 장점을 가지고 있습니다.SiC는 3eV(전자볼트)의 넓은 밴드갭을 가지며, 눈사태 항복 없이 실리콘보다 8배 더 큰 전압 구배를 견딜 수 있습니다. 밴드 갭이 넓을수록 고온에서 누설 전류가 작아지고 효율이 높아집니다. 열전도율이 높을수록 전류 밀도가 높아집니다.

그림 1: 실리콘과 비교한 실리콘 카바이드의 성능 이점

SiC 기판은 전계 강도가 높아 더 얇은 베이스 구조를 사용할 수 있고, 두께도 실리콘 에피층의 10분의 1 수준에 불과하다. 또한, SiC의 도핑 농도는 실리콘에 비해 2배 높기 때문에 소자의 표면 저항이 감소하고, 전도 손실도 크게 감소합니다.SiC는 실리콘을 안정적으로 대체할 수 있는 기술로 인정받았다. 많은 전력 모듈 및 전력 인버터 제조업체는 향후 제품 로드맵에 SiC 기술을 사용할 계획을 세웠습니다.이 넓은 밴드 갭 기술은 특정 부하에서 스위칭 손실과 전도 손실을 크게 줄이고 열 방출 관리를 개선하며 전례 없는 에너지 효율성을 제공합니다. 전력 전자 시스템에서는 높은 에너지 밀도를 보장하고 회로 크기를 줄일 수 있는 방열 설계가 매우 중요합니다. 이러한 응용 분야에서 SiC는 열전도율이 실리콘 반도체의 3배이기 때문에 이상적인 반도체 소재입니다.SiC 기술은 모터, 드라이버, 인버터 등 고전력이 필요한 프로젝트에 적합합니다. 전기 드라이버 제조업체는 더 높은 스위칭 주파수에 대한 컨버터의 요구를 충족하기 위해 새로운 구동 회로를 개발하고 있으며 전자기 간섭(EMI)을 줄이기 위해 더 복잡하고 독창적인 토폴로지를 채택하고 있습니다.SiC 장치에는 더 적은 수의 외부 구성 요소, 더 안정적인 시스템 레이아웃 및 더 낮은 제조 비용이 필요합니다. 효율성이 높아지고 전체 크기가 작아지고 무게가 가벼워짐에 따라 지능형 설계에 필요한 냉각 요구 사항도 줄어듭니다.탄화규소의 응용

전기차/하이브리드카

몇몇 자동차 제조업체는 새로운 전력 개념을 사용하여 하이브리드 및 전기 자동차를 시장에 도입하는 데 앞장섰습니다. 이러한 차량에는 엔진 구동을 위한 주파수 변환기(최대 300kW), 3.6kW ~ 22kW 차량 배터리 충전기, 3.6kW ~ 22kW 유도 충전기(무선 충전), 최대 5kW의 DC/DC 변환기 및 인버터와 같은 새로운 장치 및 시스템이 포함되어 있습니다. 에어컨, 파워 스티어링 시스템과 같은 보조 부하용.고전압 배터리는 하이브리드 및 전기 자동차 개발의 주요 장애물 중 하나입니다. SiC를 사용하면 자동차 제조업체는 배터리 크기를 줄이고 전기 자동차의 총 비용을 줄일 수 있습니다.또한 SiC는 방열 성능이 좋기 때문에 제조업체는 파워트레인 장치 냉각 비용도 줄일 수 있습니다. 이는 전기 자동차의 무게와 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.전기자동차/하이브리드 자동차 역시 Anson Semiconductor의 SiC 전략 핵심 시장 중 하나입니다. 최근 개최된 "Anson Semiconductor Silicon Carbide Strategy and Scheme"의 온라인 미디어 교환 회의에서 회사 전원 공급 장치 계획 부서의 제품 마케팅 관리자인 Wang Limin은 다음과 같이 말했습니다.전기 자동차는 실리콘 카바이드의 주요 원동력 중 하나이며 전체 실리콘 카바이드 시장 용량의 약 60%를 차지합니다. 메인드라이브, OBC, DC-DC에 사용되는 탄화규소 소자는 효율을 크게 향상시켜 전기차의 내구성을 높일 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 현재 거의 모든 주 구동 인버터 제조업체는 탄화 규소를 주 구동 방향으로 채택하고 있습니다.

그림 2: 전기 자동차는 탄화규소의 주요 원동력 중 하나입니다.

차량 충전기에는 다이오드, MOSFET 등 다양한 전력 변환 장치가 포함되어 있습니다. 그 목표는 작은 크기의 수동 부품을 사용하여 전력 전자 회로의 부피를 더 작게 만들어 이를 모두 통합하는 것입니다.이 목표는 사용된 반도체 장치를 높은 스위칭 주파수를 사용하여 동일한 회로에서 제어할 수 있다면 달성할 수 있습니다. 그러나 실리콘의 열 방출 성능이 낮기 때문에 높은 스위칭 주파수 솔루션은 적합하지 않습니다. SiC MOSFET은 이러한 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 제공합니다.현재 대부분의 OBC 및 DC-DC 제조업체는 실리콘 카바이드 장치를 고효율, 고전압 및 고주파 전력 장치로 사용합니다.예를 들어 왕리민(Wang Limin)은캘리포니아 주는 5년까지 전기 자동차 2030만 대의 도로 주행 목표를 달성하기 위한 행정 명령에 서명했습니다.유럽에는 또한 모든 전기 자동차가 연료 차량을 대체하는 시간표가 있습니다.중국의 주요 1급 도시에서는 전기자동차의 면허를 무료로 취득할 수 있습니다.이러한 모든 정책은 전기 자동차의 실질적인 성장을 촉진했으며, 전기 자동차의 고전압, 고주파 및 고효율 장치에 대한 수요도 실리콘 카바이드 시장의 실질적인 성장을 촉진했습니다.5G 전원 공급 장치 및 스위칭 전원 공급 장치5G 전원 공급 장치 및 스위칭 전원 공급 장치(SMPS) 분야는 Anson Semiconductor의 탄화규소의 두 번째 전략 시장입니다.전통적인 스위칭 전원 공급 장치 분야는 부스트 및 고전압 전원 공급 장치로 항상 전력 밀도에 대한 요구 사항이 높았습니다. 통신 전원 공급 장치의 초기 금본위제 및 실버 표준부터 현재의 5G 통신 전원 공급 장치 및 클라우드 데이터 센터 전원 공급 장치에 이르기까지 모두 높은 에너지 효율성에 대한 높은 요구 사항을 가지고 있습니다."실리콘 카바이드 장치에는 역회복 기능이 없으므로 전원 공급 장치의 에너지 효율이 높아 98%에 도달할 수 있습니다. 그리고 5G 전원 공급 장치는 현재 실리콘 카바이드 장치 중 가장 전통적이고 상대적으로 큰 시장입니다. " 왕리민이 말했다.

그림 3: 실리콘 카바이드는 5G 전원 공급 장치 및 스위칭 전원 공급 장치에 사용될 수 있습니다.

전기차 충전 파일전기 자동차 충전 파일도 실리콘 카바이드의 전략적 시장 중 하나입니다. 충전 파일에 대한 많은 방식이 있으며 현재 소비자는 DC 고속 충전에 가장 관심이 있습니다.고속 DC 충전을 지원하는 충전 파일은 매우 큰 충전 전력과 매우 높은 충전 효율이 필요하며, 이 모두는 고전압으로 구현되어야 합니다.전기 자동차 충전 파일의 응용 분야에서 실리콘 카바이드가 부스트 또는 출력 다이오드에 사용되는지 여부에 관계없이 메인 스위치를 사용하는 실리콘 카바이드 MOSFET의 충전 파일 방식이 많이 있으며, 그 응용 전망은 매우 넓습니다.

그림 4: 전기 자동차 충전 파일도 탄화규소의 응용 분야입니다.

태양 광 인버터

태양광 인버터 분야에서도 실리콘 카바이드 다이오드의 사용은 매우 큽니다. 태양광 인버터 설치는 매년 계속 증가하고 있으며, 향후 15~1년 내에 에너지의 10%(현재 15%)가 태양에너지에서 나올 것으로 예상됩니다. 태양 에너지는 무료이며 무한합니다. 국내 정책이 도입되었으며 개인은 태양광 발전을 주 전력망에 판매할 수 있습니다."실리콘 카바이드 반도체는 태양광 인버터의 부스트(Boost)에 적용될 수 있습니다. 태양광 인버터 비용의 최적화로 많은 제조업체가 원래의 3단계(인버터) 제어 복잡한 회로를 대체하기 위해 실리콘 카바이드 MOSFET을 주 인버터 장치로 사용하게 될 것입니다. Wang Limin은 "정책 추진 측면에서 EU는 20-20-20 목표, 즉 2020년까지 에너지 효율을 20% 높이고, 이산화탄소 배출량을 20% 줄이고, 재생 에너지를 목표로 삼고 있습니다"라고 말했습니다. 20%에 도달하게 됩니다. NEA는 또한 20년까지 중국 에너지 수요의 2030%를 충족시키겠다는 청정 에너지 목표를 설정했습니다."

그림 5: 태양광 인버터에 실리콘 카바이드 적용

태그

장기 신뢰성은 SiC MOSFET의 상징이 되었습니다. 반도체 제조업체의 다음 과제는 동일한 물리적 장치에 기존 실리콘 트랜지스터와 SiC 다이오드를 통합하여 멀티칩 전력 모듈이나 하이브리드 모듈을 개발하는 것입니다. 항복 전압이 높을수록 이러한 모듈은 더 높은 온도에서 작동할 수 있습니다. 또한 장비 크기를 더욱 줄이면서 높은 효율성을 제공할 수도 있습니다.현재 시장 가격 관점에서 볼 때, SiC MOSFET은 실리콘 IGBT보다 시스템 수준에서 우위를 점하고 있습니다. 더욱이, 150mm 웨이퍼 생산이 널리 보급됨에 따라 SiC MOSFET 가격은 지속적으로 하락할 것으로 예상됩니다.일부 제조업체에서는 200mm(8인치) 웨이퍼 생산을 시작했습니다. 웨이퍼 크기가 증가함에 따라 다이당 비용은 감소하지만 수율도 감소할 수 있습니다. 따라서 제조업체는 프로세스를 지속적으로 개선해야 합니다.그러나 SiC 소자는 제조원가가 높고 대량생산이 부족하여 널리 활용되기는 어렵다. SiC 장치를 대량 생산하려면 잘 설계된 견고한 아키텍처와 제조 공정이 필요합니다. 예를 들어, 웨이퍼 테스트에서 테스트되는 장치는 크기가 더 작아야 하고 더 높은 전류 및 전압 범위에서 작동해야 합니다.이러한 문제가 해결되면 OEM 설계자는 더 많은 SiC 장치를 채택하고 우수한 전기적 특성을 최대한 활용하며 시스템 비용을 크게 절감하고 전반적인 효율성을 향상시킬 것입니다.

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