Apakah kelebihan silikon karbida berbanding silikon?

Jelaskan

Elektrik berkembang ke arah bahan celah jalur lebar (WBG) seperti silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN). Walaupun silikon masih menguasai pasaran, peranti SiC dan GaN tidak lama lagi akan melahirkan generasi baharu penyelesaian teknikal yang lebih cekap.Menurut Yole Dé, sebuah organisasi penyelidikan pasaran yang beribu pejabat di Perancis; Veloppement menganggarkan bahawa menjelang 2025, hasil peranti SiC akan menyumbang lebih daripada 10% daripada keseluruhan pasaran elektronik kuasa, dan hasil peranti GaN akan melebihi 2%.Pembekal komponen SiC yang terkenal termasuk stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor dan Mitsubishi Electric.Cree memperkenalkan portfolio MOSFET kuasa 900V SiC komersial dan Wolfspeed 650V SiC MOSFET yang pertama; Microchip dan ROHM telah mengeluarkan SiC MOSFET dan diod; Feiling telah memperkenalkan lapan peranti CoolSiC MOSFET 650V. . .. . Dari sini dapat dilihat bahawa semua pengeluar utama mempunyai susun atur dan strategi pembangunan mereka sendiri dalam bahan SiC.Apakah kelebihan prestasi silikon karbida berbanding silikon?Silikon telah lama menjadi bahan semikonduktor utama dalam kebanyakan aplikasi elektronik, tetapi berbanding dengan SiC, ia tidak cekap. Pada masa kini, SiC telah diterima pakai oleh banyak aplikasi, terutamanya kenderaan elektrik, untuk memenuhi cabaran tenaga dan kos membangunkan peranti berkecekapan tinggi dan berkuasa tinggi.SiC terdiri daripada silikon tulen dan karbon. Berbanding dengan silikon, SiC mempunyai tiga kelebihan: kekuatan medan pecahan salji kritikal yang lebih tinggi, kekonduksian terma yang lebih tinggi dan jurang jalur yang lebih luas.SiC mempunyai jurang jalur lebar 3 volt elektron (eV), dan boleh menahan kecerunan voltan 8 kali lebih besar daripada silikon tanpa pecahan runtuhan salji. Semakin lebar jurang jalur, semakin kecil arus bocor pada suhu tinggi dan semakin tinggi kecekapan. Semakin besar kekonduksian terma, semakin tinggi ketumpatan arus.

Rajah 1: Kelebihan prestasi silikon karbida berbanding dengan silikon

Substrat SiC mempunyai kekuatan medan elektrik yang lebih tinggi, jadi struktur asas yang lebih nipis boleh digunakan, dan ketebalannya mungkin hanya sepersepuluh daripada lapisan epitaxial silikon. Di samping itu, kepekatan doping SiC adalah 2 kali lebih tinggi daripada silikon, jadi rintangan permukaan peranti dikurangkan, dan kehilangan pengaliran juga berkurangan dengan ketara.SiC telah diiktiraf sebagai teknologi yang boleh menggantikan silikon dengan pasti. Banyak pengeluar modul kuasa dan penyongsang kuasa telah merancang untuk menggunakan teknologi SiC dalam pelan hala tuju produk masa depan mereka.Teknologi jurang jalur lebar ini sangat mengurangkan kehilangan pensuisan dan kehilangan pengaliran di bawah beban tertentu, meningkatkan pengurusan pelesapan haba dan menyediakan kecekapan tenaga yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Dalam sistem elektronik kuasa, reka bentuk pelesapan haba adalah sangat penting, yang boleh memastikan ketumpatan tenaga yang tinggi dan mengurangkan saiz litar. Dalam aplikasi ini, SiC ialah bahan semikonduktor yang ideal kerana kekonduksian termanya adalah tiga kali ganda daripada semikonduktor silikon.Teknologi SiC sesuai untuk projek dengan kuasa tinggi, seperti motor, pemacu dan penyongsang. Pengeluar pemacu elektrik sedang membangunkan litar pemanduan baharu untuk memenuhi permintaan penukar untuk frekuensi pensuisan yang lebih tinggi, dan mengguna pakai topologi yang lebih kompleks dan bijak untuk mengurangkan gangguan elektromagnet (EMI).Peranti SiC memerlukan lebih sedikit komponen luaran, susun atur sistem yang lebih dipercayai dan kos pembuatan yang lebih rendah. Dengan kecekapan yang lebih tinggi, saiz keseluruhan yang lebih kecil dan berat yang lebih ringan, keperluan penyejukan reka bentuk pintar dikurangkan.Penggunaan silikon karbida

Kereta elektrik/kereta hibrid

Beberapa pengeluar kereta telah menerajui dalam memperkenalkan kenderaan hibrid dan elektrik di pasaran dengan menggunakan konsep kuasa baharu. Kenderaan ini mengandungi peranti dan sistem baharu, seperti penukar frekuensi (sehingga 300kW) untuk menjana kuasa enjin, pengecas bateri kenderaan 3.6kW hingga 22kW, pengecas aruhan 3.6 kW hingga 22kW (pengecasan tanpa wayar), penukar DC/DC sehingga 5kW dan penyongsang untuk beban tambahan seperti penghawa dingin dan sistem stereng kuasa.Bateri voltan tinggi adalah salah satu halangan utama kepada pembangunan kenderaan hibrid dan elektrik. Menggunakan SiC, pengeluar kereta boleh mengurangkan saiz bateri dan jumlah kos kenderaan elektrik.Di samping itu, kerana SiC mempunyai prestasi pelesapan haba yang baik, pengeluar juga boleh mengurangkan kos penyejukan peranti powertrain. Ini membantu mengurangkan berat dan kos kenderaan elektrik.Kenderaan elektrik/kenderaan hibrid juga merupakan salah satu pasaran utama strategik SiC Anson Semiconductor. Pada mesyuarat pertukaran media dalam talian "Anson Semiconductor Silicon Carbide Strategy and Scheme" yang diadakan baru-baru ini, Wang Limin, pengurus pemasaran produk jabatan skim bekalan kuasa syarikat, berkata,Kenderaan elektrik adalah salah satu daya penggerak utama silikon karbida, menyumbang kira-kira 60% daripada jumlah kapasiti pasaran silikon karbida. Peranti karbida silikon yang digunakan dalam pemacu utama, OBC dan DC-DC boleh meningkatkan kecekapan, jadi ia boleh meningkatkan daya tahan kenderaan elektrik. Berdasarkan kelebihan ini, pada masa ini, hampir semua pengeluar penyongsang pemacu utama mengambil silikon karbida sebagai arah pemacu utama.

Rajah 2: Kenderaan elektrik adalah salah satu daya penggerak utama silikon karbida.

Pengecas kenderaan mengandungi pelbagai peranti penukaran kuasa, seperti diod dan MOSFET. Matlamatnya adalah untuk menjadikan isipadu litar elektronik kuasa lebih kecil dengan menggunakan komponen pasif bersaiz kecil, untuk menyepadukan kesemuanya.Matlamat ini boleh dicapai jika peranti semikonduktor yang digunakan boleh dikawal dalam litar yang sama dengan frekuensi pensuisan yang tinggi. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh prestasi pelesapan haba yang lemah bagi silikon, penyelesaian frekuensi pensuisan tinggi tidak sesuai. SiC MOSFET menyediakan penyelesaian yang ideal untuk aplikasi sedemikian.Pada masa ini, kebanyakan pengeluar OBC dan DC-DC menggunakan peranti silikon karbida sebagai peranti kecekapan tinggi, voltan tinggi dan kuasa frekuensi tinggi.Wang Limin, sebagai contoh,California telah menandatangani perintah eksekutif untuk mencapai matlamat 5 juta kenderaan elektrik di jalan raya menjelang 2030;Eropah juga mempunyai jadual untuk semua kenderaan elektrik menggantikan kenderaan bahan api;Di bandar raya peringkat pertama utama China, kenderaan elektrik boleh dilesenkan secara percuma.Semua dasar ini telah menggalakkan pertumbuhan besar kenderaan elektrik, dan permintaan kenderaan elektrik untuk peranti voltan tinggi, frekuensi tinggi dan kecekapan tinggi juga telah menggalakkan pertumbuhan besar pasaran silikon karbida.Bekalan kuasa 5G dan bekalan kuasa pensuisanMedan bekalan kuasa dan bekalan kuasa pensuisan (SMPS) 5G ialah pasaran strategik kedua bagi silikon karbida untuk Semikonduktor Anson.Medan bekalan kuasa pensuisan tradisional ialah Boost dan bekalan kuasa voltan tinggi, yang sentiasa mempunyai keperluan tinggi untuk ketumpatan kuasa. Daripada standard emas dan piawaian perak bekalan kuasa komunikasi yang terawal kepada bekalan kuasa komunikasi 5G semasa dan bekalan kuasa pusat data awan, ini semua mempunyai keperluan yang tinggi untuk kecekapan tenaga yang tinggi."Peranti silikon karbida tidak mempunyai pemulihan terbalik, yang menjadikan bekalan kuasa cekap tenaga, yang boleh mencapai 98%. Dan bekalan kuasa 5G ialah pasaran peranti silikon karbida yang paling tradisional dan agak besar pada masa ini. " Wang Limin berkata.

Rajah 3: Silikon karbida boleh digunakan dalam bekalan kuasa 5G dan bekalan kuasa pensuisan.

Cerucuk mengecas kenderaan elektrikCerucuk pengecasan kenderaan elektrik juga merupakan salah satu pasaran strategik kami untuk silikon karbida. Terdapat banyak skim untuk mengecas buasir, dan kini pengguna paling berminat dengan pengecasan pantas DC.Longgokan pengecasan dengan pengecasan DC pantas memerlukan kuasa pengecasan yang sangat besar dan kecekapan pengecasan yang sangat tinggi, yang kesemuanya perlu direalisasikan oleh voltan tinggi.Dalam aplikasi cerucuk pengecasan kenderaan elektrik, sama ada silikon karbida dalam Boost atau diod keluaran, terdapat banyak skim cerucuk pengecasan silikon karbida MOSFET menggunakan suis utama, dan prospek aplikasinya sangat luas.

Rajah 4: Cerucuk pengecasan kenderaan elektrik juga merupakan medan aplikasi silikon karbida.

Penyongsang solar

Dalam bidang penyongsang suria, penggunaan diod silikon karbida juga sangat besar. Pemasangan penyongsang suria terus meningkat setiap tahun, dan dianggarkan 15% tenaga (pada masa ini 1%) akan datang daripada tenaga suria dalam tempoh 10~15 tahun akan datang. Tenaga suria adalah percuma dan tidak habis-habis. Dasar domestik telah diperkenalkan, dan individu boleh menjual tenaga solar kepada grid negeri."Separa pengalir silikon karbida boleh digunakan pada Boost penyongsang suria. Dengan pengoptimuman kos penyongsang suria, banyak pengeluar akan menggunakan MOSFET silikon karbida sebagai peranti penyongsang utama untuk menggantikan litar kompleks kawalan tiga peringkat (inverter) asal. " Wang Limin berkata, "Dari segi pemanduan dasar, EU mempunyai sasaran 20-20-20, iaitu menjelang 2020, kecekapan tenaga akan ditingkatkan sebanyak 20%, pelepasan karbon dioksida akan dikurangkan sebanyak 20%, dan tenaga boleh diperbaharui. akan mencapai 20%. NEA juga telah menetapkan sasaran tenaga bersih untuk memenuhi 20% daripada permintaan tenaga China menjelang 2030."

Rajah 5: Penggunaan Silicon Carbide dalam Penyongsang Suria

tag

Kebolehpercayaan jangka panjang telah menjadi simbol SiC MOSFET. Tugas seterusnya pengeluar semikonduktor adalah untuk membangunkan modul kuasa berbilang cip atau modul hibrid, menyepadukan transistor silikon tradisional dan diod SiC pada peranti fizikal yang sama. Dengan voltan kerosakan yang lebih tinggi, modul ini boleh berfungsi pada suhu yang lebih tinggi. Mereka juga boleh memberikan kecekapan tinggi sambil mengurangkan lagi saiz peralatan.Dari sudut harga pasaran semasa, SiC MOSFET mempunyai kelebihan peringkat sistem berbanding silikon IGBT. Selain itu, dengan penggunaan meluas pembuatan wafer 150mm, harga SiC MOSFET dijangka akan terus menurun.Sesetengah pengeluar telah mula menghasilkan wafer 200mm (8 inci). Dengan pertambahan saiz wafer, kos setiap die akan berkurangan, tetapi hasil juga mungkin berkurangan. Oleh itu, pengeluar mesti sentiasa memperbaiki proses mereka.Walau bagaimanapun, disebabkan kos pembuatan peranti SiC yang tinggi dan kekurangan pengeluaran besar-besaran, ia sukar untuk digunakan secara meluas. Pengeluaran besar-besaran peranti SiC memerlukan seni bina teguh dan proses pembuatan yang direka dengan baik. Sebagai contoh, dalam ujian wafer, peranti yang diuji dikehendaki bersaiz lebih kecil dan berfungsi dalam julat arus dan voltan yang lebih tinggi.Setelah masalah ini diselesaikan, pereka OEM akan menggunakan lebih banyak peranti SiC, menggunakan sepenuhnya ciri-ciri elektrik mereka yang baik, mengurangkan kos sistem dengan banyak dan meningkatkan kecekapan keseluruhan.

Penafian: Artikel ini diterbitkan semula daripada "Penggemar Elektronik". Artikel ini hanya mewakili pandangan peribadi pengarang, dan tidak mewakili pandangan Sacco Micro dan industri. Ia hanya untuk mencetak semula dan berkongsi untuk menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber dan pengarang asal semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.

Tel Syarikat: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Pengurus Qiu
Alamat: Bilik 809, Blok C, Bangunan Teknologi Zhantao, No.1079 Minzhi Avenue, Daerah Baru Longhua, Shenzhen