De derde generatie halfgeleiders met een brede bandgap, vertegenwoordigd door siliciumcarbide, kan normaal functioneren in omgevingen met hogere temperaturen, spanningen en frequenties, terwijl ze minder energie verbruiken en een grotere duurzaamheid en betrouwbaarheid bieden. Dit biedt baanbrekende mogelijkheden voor de volgende generatie kleinere, snellere, goedkopere en efficiëntere vermogenselektronica.

De vooruitgang en industrialisatie van siliciumcarbide-vermogenselektronicatechnologie zal nieuwe toepassingen mogelijk maken in hoogspanningssystemen en een diepgaande impact hebben op de transformatie van het energiesysteem. De uitstekende eigenschappen van siliciumcarbide-vermogenselektronica, zoals een hoog rendement, hoge spanning, hoge temperatuur en hoge frequentie, geven het een groot toepassingspotentieel op het gebied van huishoudelijke apparaten, energiebesparing in motoren, elektrische voertuigen, slimme netwerken, ruimtevaart, olie-exploratie, automatisering, radar en communicatie.

Inleiding tot vermogenselektronica van siliciumcarbide

1. Definitie van siliciumcarbide (SiC)

Siliciumcarbide (SiC) vermogenselektronica is een breedbandvermogenselektronica-component gemaakt van siliciumcarbide (SiC), een halfgeleidermateriaal van de derde generatie. Het kenmerkt zich door hoge temperatuurbestendigheid, hoge frequentie en een hoog rendement. SiC-vermogenselektronica omvat, afhankelijk van de werkingsvorm, hoofdzakelijk vermogensdiodes en vermogensschakelaars. Vermogensdiodes omvatten onder andere JBS-diodes (junction barrier Schottky diodes), PiN-diodes en superjunction-diodes; vermogensschakelaars omvatten onder andere MOSFET's (metal oxide semiconductor field effect switching transistors), JFET's (junction field effect switching transistors), BJT's (bipolar switching transistors), IGBT's (isolated gate bipolar transistors), GTO's (gate turn-off thyristors) en ETO's (emitter turn-off thyristors).

2. Technische voordelen

De uitstekende eigenschappen van siliciumcarbide-halfgeleiders zorgen ervoor dat vermogenselektronica op basis van siliciumcarbide de volgende opmerkelijke voordelen biedt ten opzichte van apparaten op basis van silicium:

(1) Heeft een lagere aanweerstand. Bij een lage doorslagspanning (ongeveer 50 V) is de specifieke aanweerstand van siliciumcarbide-componenten slechts 1.12 µΩ, wat ongeveer 1/100 is van die van vergelijkbare siliciumcomponenten. Bij een hoge doorslagspanning (ongeveer 5 kV) stijgt de specifieke aanweerstand tot 25.9 mΩ, wat ongeveer 1/300 is van die van vergelijkbare siliciumcomponenten. Een lagere aanweerstand zorgt ervoor dat siliciumcarbide-vermogenselektronica-componenten kleinere geleidingsverliezen hebben, waardoor een hoger algeheel rendement wordt behaald.

(2) Heeft een hogere doorslagspanning. Bijvoorbeeld: Commerciële silicium Schottky-diodes hebben meestal een nominale spanning van minder dan 300 V, maar de nominale spanning van de eerste commerciële siliciumcarbide Schottky-diode bereikte 600 V; de nominale spanning van de eerste commerciële siliciumcarbide MOSFET is 1200 V, terwijl de meest gebruikte silicium MOSFET's onder de 1 kV liggen.

(3) Een lagere thermische weerstand van de junctie-behuizing zorgt ervoor dat de temperatuur van het apparaat langzamer stijgt.

(4) Hogere uiteindelijke bedrijfstemperatuur. De extreme bedrijfsstabiliteit van siliciumcarbide zal naar verwachting meer dan 600 °C bedragen, terwijl de maximale junctietemperatuur van siliciumapparaten slechts 150 °C is.

(5) Een hogere stralingsbestendigheid, waardoor het gewicht van de stralingsafschermingsapparatuur kan worden verminderd bij gebruik in de luchtvaart en andere sectoren.

(6) Hogere stabiliteit, de voorwaartse en achterwaartse eigenschappen van siliciumcarbide-apparaten veranderen zeer weinig met de temperatuur.

(7) Lagere schakelverliezen. Siliciumcarbide-apparaten hebben kleine schakelverliezen en kunnen werken bij hogere schakelfrequenties (>20 kHz) die moeilijk te bereiken zijn met siliciumapparaten bij vermogensniveaus van tientallen kilowatts.

3. Hoofdcategorieën

(1) Siliciumcarbide Schottky-diode

Als unipolaire diode heeft een Schottky-barrièrediode (SBD) geen extra ladingsdragerinjectie en -opslag tijdens het geleidingsproces, waardoor er in principe geen omgekeerde herstelstroom is. Het uitschakelproces is zeer snel en het schakelverlies is zeer klein. De Schottky-barrière van silicium is echter laag, waardoor de omgekeerde lekstroom van een silicium-SBD relatief groot is en de blokkeerspanning laag. Deze diode kan alleen worden gebruikt bij lage spanningen van 100 tot 200 volt. PiN-diodes worden doorgaans gebruikt bij hogere spanningen, maar hun omgekeerde herstelstroom is groot en de schakelverliezen zijn aanzienlijk. Vanwege de hoge kritische lawine-doorslagsterkte van siliciumcarbide is het relatief eenvoudig om siliciumcarbide-SBD's te produceren met een omgekeerde doorslagspanning van meer dan 1000 V.

Op basis van deze unieke voordelen van SiC produceren fabrikanten van halfgeleidercomponenten zoals Cree hoogspannings-SiC Schottky-diodes met een stroomsterkte van 1-20 A en spanningen van 300 V, 600 V en 1200 V. Tabel 1 toont de belangrijkste internationale fabrikanten van siliciumcarbide SBD's en de spanningen van hun commerciële producten. Cree heeft onlangs zijn nieuwste siliciumcarbide SBD met een spanning van 1700 V gelanceerd. In hoogspanningsschakeltoepassingen bieden SiC Schottky-diodes bijna ideale prestaties. Ze hebben vrijwel geen voorwaartse herstelspanning, waardoor ze direct kunnen inschakelen. In tegenstelling tot de junctiecapaciteit is de opgeslagen lading ook zeer klein, waardoor ze snel kunnen uitschakelen.

(2) Siliciumcarbide vermogenstransistor

American SemiSouth Company heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar siliciumcarbide JFET's en is momenteel de belangrijkste leverancier van commerciële siliciumcarbide JFET-componenten ter wereld. De maximale spanning van hun SiC JFET-producten bedraagt ​​1700V en de maximale stroomsterkte 30A.

Vanwege de superieure eigenschappen en succesvolle toepassingen van silicium-MOSFETs zijn siliciumcarbide-MOSFETs (SiC-MOSFETs) de meest populaire componenten geworden in het onderzoek naar siliciumcarbide-vermogenselektronica. Het Amerikaanse bedrijf Cree nam het voortouw in het onderzoek naar siliciumcarbide-MOSFETs en bracht twee commerciële SiC-MOSFET-producten op de markt, 10A/1200V en 20A/1200V, waarmee het de enige fabrikant ter wereld werd die commerciële discrete siliciumcarbide-MOSFETs leverde. Het Japanse Rohm Corporation bevordert ook actief de commercialisering van zijn siliciumcarbide-MOSFET. Deze eerste SiC N-kanaals DMOSFETs waren voornamelijk gericht op 1200V-toepassingen. SiC-MOSFETs op dit spanningsniveau bieden grotere voordelen dan de huidige Si-componenten.

02

De ontwikkelingsstatus van siliciumcarbide-apparaten in het buitenland 1. Verenigde Staten

Al in 1997 formuleerden de Verenigde Staten in het "National Defense and Science Plan" duidelijk de ontwikkelingsdoelen voor halfgeleiders met een brede bandgap. In 2014 leidde president Obama persoonlijk de oprichting van de derde generatie industriealliantie voor halfgeleiders met een brede bandgap, vertegenwoordigd door SiC, om de technologie van deze technologie volledig te ondersteunen en technologische innovatie in de volgende generatie vermogenselektronica te stimuleren. De alliantie heeft tot nu toe in totaal 140 miljoen dollar aan steun ontvangen van de federale en lokale overheden. Het doel is om halfgeleidertechnologie met een brede bandgap binnen vijf jaar qua kosten concurrerend te maken met de huidige op silicium gebaseerde vermogenselektronica, en zo de volgende generatie energiezuinige, efficiënte en krachtige vermogenschips en -componenten te creëren. Dit zal een leidende rol spelen in veel van 's werelds grootste en snelstgroeiende industriële markten, waaronder consumentenelektronica, industriële apparatuur, communicatie en schone energie, waardoor de internationale concurrentiepositie wordt versterkt en goedbetaalde banen worden gecreëerd.

2. Japan

Sinds 1998 financiert de Japanse overheid onderzoek naar halfgeleidertechnologie met een brede bandgap. In 2013 nam Japan het SiC-materiaalsysteem op in de "Strategie van de premier", vanuit de overtuiging dat 50% van de energiebesparing in de toekomst zal worden gerealiseerd door SiC-componenten, waarmee een nieuw tijdperk van schone energie wordt ingeluid. De afgelopen jaren heeft de Japanse organisatie voor de ontwikkeling van nieuwe industriële energietechnologie (NEDO) een onderzoeksprogramma opgezet met betrekking tot SiC-vermogenselektronica. Dit programma richt zich op de toepassing van SiC-vermogensmodules in elektrische circuits van spoorweglocomotieven, diverse energie-uitwisselingssystemen, energieopwekking en geïntegreerde systemen voor warmteterugwinning van turbocompressoren, geavanceerde medische apparatuur en miniaturisatie van deeltjesversnellers, met als doel energiebesparing en efficiëntieverbetering te realiseren.

3. Europese Unie

In 2014 lanceerde de Europese Unie een driejarig onderzoeksprogramma (2014-2017) naar SiC-vermogenstechnologie voor hoogrendementssystemen (SPEED), met een totale investering van 18.58 miljoen euro. Twaalf onderzoeksinstellingen en bedrijven in zeven landen namen deel aan het programma. Het doel van dit programma is om gezamenlijk de SiC-vermogenselektronicatechnologie te beheersen door toonaangevende fabrikanten en onderzoekers wereldwijd samen te brengen, de technische knelpunten in de gehele SiC-vermogenselektronica-industrieketen te doorbreken en een brede toepassing op het gebied van hernieuwbare energie te realiseren. In 2015 financierde het Duitse federale ministerie van Onderzoek het Karlsruhe Institute of Technology en industriële partners (met een bedrag van 800,000 euro) voor onderzoek naar het verbeteren van de energie-efficiëntie van hoogfrequente voedingen op basis van SiC-schakelaars, om zo de energie-efficiëntie van voedingen in de industriële productie te verbeteren, het energieverbruik te verminderen en de CO2-uitstoot te verlagen.

De ontwikkelingsstatus van siliciumcarbide-apparaten in China

1. Tyco Tianrun

Tyco Tianrun is opgericht in 2011. Het productassortiment omvat basisproducten op het gebied van kerntechnologie, gegoten siliciumcarbideproducten en diverse industriële oplossingen. De basisproducten worden vertegenwoordigd door Schottky-diodes van siliciumcarbide.

In 2015 kondigde Tyco Tianrun de lancering aan van een krachtige 3300V/50A siliciumcarbide Schottky-diode. Volgens berichten beschikt het product over eigenschappen zoals een lage voorwaartse spanningsval, een snelle schakelsnelheid en een uitstekende thermische geleidbaarheid, en is het geschikt voor hoogwaardige toepassingen zoals spoorvervoer en slimme elektriciteitsnetten.

Volgens rapporten bedraagt ​​de typische voorwaartse spanningsval van een 3300V/50A krachtige siliciumcarbide Schottky-diode 2.22V (IF=50A, Tj=25℃) en 4.75V (IF=50A, Tj=175℃); de typische lekstroom in sperrichting is 120µA (VR=3300V, Tj=25℃) en 200µA (VR=3300V, Tj=175℃); de diode maximaliseert de betrouwbaarheid in veeleisende elektrische omgevingen en kan normaal functioneren binnen een temperatuurbereik van -55℃ tot 175℃. De producten zijn verkrijgbaar als onverpakte chips, en de verpakkingstypes kunnen worden aangepast aan de wensen van de klant.

2. Shenzhen Basic Semiconductor

Shenzhen Basic Semiconductor is opgericht in 2016 en richt zich op onderzoek en ontwikkeling en industrialisatie van siliciumcarbide-vermogenscomponenten. Het is een van de initiatoren van het Shenzhen Third Generation Semiconductor Research Institute. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. is al lange tijd gespecialiseerd in onderzoek en ontwikkeling van SiC-vermogenscomponenten. De belangrijkste producten zijn SiC-diodes, SiC-MOSFET's en automotive-grade full-SiC MOSFET-modules, die veelvuldig worden gebruikt in duurzame energieopwekking, elektrische voertuigen, spoorwegen en slimme netwerken.

De 1200V siliciumcarbide MOSFET, officieel uitgebracht door Basic Semiconductor in oktober 2018, is het eerste industriële product dat onafhankelijk door een Chinees bedrijf is ontworpen en de betrouwbaarheidstests heeft doorstaan. De prestaties ervan hebben een internationaal toonaangevend niveau bereikt en de kortsluitvastheidstijd bedraagt ​​maar liefst 6 μs.

3. Yangjie-technologie

Yangjie Technology is gespecialiseerd in industriële ontwikkeling op het gebied van de productie van vermogenshalfgeleiderchips en -componenten, de verpakking en het testen van geïntegreerde schakelingen. De belangrijkste producten zijn diverse vermogenschipchips, vermogensdiodes, gelijkrichterbruggen, hoogvermogenmodules, DFN/QFN-producten, SGTMOS, siliciumcarbide SBD's, siliciumcarbide JBS'en, enzovoort. De producten worden veelvuldig gebruikt in consumentenelektronica, beveiliging, industriële besturing, auto-elektronica, duurzame energie en vele andere sectoren.

De officiële website van Yangjie Technology toont aan dat er momenteel 4 siliciumcarbide Schottky-modules beschikbaar zijn, namelijk de modellen MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ en MB40DU12FJ. Uit het specificatieblad blijkt dat model MB200DU01FJ gebruikt kan worden in voedingen voor galvaniseermachines, hoogfrequente voedingen, schakelende voedingen met hoge stroomsterkte, beveiliging tegen omgekeerde polariteit van batterijen, lasmachines en andere toepassingen.

3. Kern glanzend en vochtig

Xinguang Runze, opgericht in maart 2016, is een hightechbedrijf dat gespecialiseerd is in de R&D en productie van de derde generatie halfgeleider SiC-vermogenscomponenten en -modules. Op 18 september 2018 werd de eerste binnenlandse productielijn voor intelligente siliciumcarbidevermogensmodules (SiCIPM) van Xinguangrunze officieel in gebruik genomen. De bouw van dit project was in december 2016 van start gegaan. Naar verwachting zal de maandelijkse productie na de ingebruikname van de productielijn 300,000 stuks bedragen en de jaarlijkse productie 3.6 miljoen stuks. Het bedrijf biedt momenteel siliciumcarbideproducten aan, waaronder siliciumcarbide SBD's en siliciumcarbide MOSFET's. Een voorbeeld hiervan is de XGSCS1230SWA, een model siliciumcarbide SBD dat geschikt is voor een spanning van 1200V. Toepassingsgebieden zijn onder andere schakelende voedingen, vermogensfactorcorrectie, omvormers, UPS-systemen en motorsturingen.

4. Ruineng Semiconductor

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. is een hightech joint venture opgericht door NXP Semiconductors en Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor richt zich op de ontwikkeling van een toonaangevend, breed en diepgaand portfolio van bipolaire vermogenshalfgeleiders, waaronder siliciumgestuurde gelijkrichters en triacs, siliciumvermogensdiodes, hoogspanningstransistors en siliciumcarbidediodes. De siliciumcarbidediodes van het bedrijf worden voornamelijk gebruikt in de industrie, servers, airconditioners en andere toepassingen. Uit de officiële website blijkt dat Ruineng Semiconductor 25 modellen siliciumcarbidediodes heeft, die allemaal voldoen aan de spanningseis van 650V, zoals het model NXPSC16650B, dat gebruikt kan worden in vermogensfactorcorrectie, schakelende voedingen, UPS-systemen, fotovoltaïsche omvormers, LED/OLED-tv's, motorsturingen en andere toepassingen.

5. Shanghai Zhanxin-elektronica

Shanghai Zhanxin Electronics zet zich in voor de ontwikkeling van kosteneffectieve vermogenschips en moduleproducten met siliciumcarbide-vermogenscomponenten als kern, en biedt complete halfgeleideroplossingen voor de miniaturisatie, efficiëntie en het lichte gewicht van voedingen en elektrische aandrijfsystemen.

In oktober 2017 werd het productieproces van siliciumcarbide (SiC) MOSFET's voltooid op een volwaardige, voor massaproductie geschikte 6-inch productielijn. De testresultaten op waferniveau tonen aan dat diverse elektrische parameters aan de verwachtingen voldoen, wat een solide basis vormt voor verdere optimalisatie van het proces en het ontwerp van de componenten. Op 1 mei 2018 werd de eerste in China geproduceerde 6-inch SiC MOSFET-wafer officieel op de markt gebracht.

04

Typische toepassingen van siliciumcarbide-componenten: 1. 5G-infrastructuur - voeding voor communicatie

De communicatievoeding is de energiebron voor server- en basisstationcommunicatie. Het levert stroom aan diverse transmissieapparatuur en zorgt voor de normale werking van het communicatiesysteem. De hoogfrequente eigenschappen van siliciumcarbide MOSFET's maken de magnetische eenheid in het voedingscircuit kleiner en lichter, en de algehele efficiëntie van de voeding is hoger. De omgekeerde herstelkarakteristiek van siliciumcarbide Schottky-diodes is vrijwel nul, waardoor ze brede toepassingsmogelijkheden hebben in veel PFC-circuits (Power Factor Correction). Zo kan bijvoorbeeld in een 3 kW hoogrendements communicatievoeding met een brugloos, interleaved PFC-circuit het gebruik van 650V/10A siliciumcarbide Schottky-diodes klanten helpen om te voldoen aan de hoge technische eisen van een vollastrendement van 95% of hoger.

2. Laadpaal voor elektrische voertuigen - laadpaalvermogenmodule

De snelle ontwikkeling van de elektrische voertuigenindustrie heeft geleid tot een groeiende vraag naar laadpalen. Voor elektrische voertuigen zijn het verhogen van de laadsnelheid en het verlagen van de laadkosten de twee belangrijkste doelstellingen van de industrie. Het gebruik van siliciumcarbide-componenten in laadpaalvermogenmodules maakt een hoog rendement en een hoog vermogen mogelijk, waardoor de laadsnelheid toeneemt en de laadkosten dalen.

3. Groot datacenter, industrieel internet - stroomvoorziening voor servers

De servervoeding is de energiebron van de server. De server levert de stroom die nodig is voor de normale werking van het serversysteem. Het gebruik van siliciumcarbide-vermogenscomponenten in servervoedingen kan de vermogensdichtheid en efficiëntie van de voeding verbeteren, de totale omvang van het datacenter verkleinen, de bouwkosten verlagen en een hogere milieuefficiëntie bereiken. Zo kan bijvoorbeeld in een 3 kW servervoedingsmodule het gebruik van siliciumcarbide-MOSFET's in een totempaal-PFC de efficiëntie van de servervoeding aanzienlijk verbeteren en aan hogere efficiëntie-eisen voldoen.

4. Ultrahoge spanning - toepassing van flexibele transmissie DC-stroomonderbrekers

Als grootschalig systeemproject zal UHV een reeks eisen stellen aan grondstoffen en componenten. Vermogenscomponenten zijn essentiële onderdelen van de flexibele transmissietechnologie van FACTS in UHV DC-transmissie aan de transmissiezijde en vermogenselektronicatransformatoren (PET) aan de onderstationzijde. De betrouwbaarheid van de DC-stroomonderbreker, een van de belangrijkste onderdelen van flexibele DC-transmissie, heeft een grote invloed op de stabiliteit van het gehele transmissiesysteem. Het gebruik van traditionele siliciumcomponenten voor het ontwerp van DC-stroomonderbrekers vereist dat meerdere subeenheden in serie worden geschakeld. Het gebruik van hoogspanningssiliciumcarbidecomponenten in DC-stroomonderbrekers kan het aantal in serie geschakelde subeenheden aanzienlijk verminderen, wat een belangrijke onderzoeksrichting in de industrie is.

5. Intercity hogesnelheidstreinen en intercity-treinvervoer - tractieomvormer, vermogenselektronicatransformator, hulpomvormer, hulpvoeding

Toekomstig spoorvervoer stelt hogere eisen aan vermogenselektronica, zoals tractieomvormers en spanningsomvormers. Het gebruik van siliciumcarbide-vermogenscomponenten kan de vermogensdichtheid en het rendement van deze componenten aanzienlijk verbeteren, wat de belasting van het spoorwegnet aanzienlijk kan verminderen. Siliciumcarbide-componenten maken een nog hogere efficiëntie en miniaturisatie van apparatuur mogelijk en bieden enorme technische voordelen in het spoorvervoer. De Japanse Shinkansen N700S heeft het voortouw genomen in het gebruik van siliciumcarbide-vermogenscomponenten in tractieomvormers, waardoor het gewicht van het voertuig aanzienlijk is verminderd, een hogere transportefficiëntie is bereikt en de operationele kosten zijn verlaagd.

05

Conclusie Hoewel siliciumcarbide-vermogenselektronica nog steeds problemen kent zoals een laag vermogen, een hoge prijs, een beperkt aantal commerciële varianten en een gebrek aan hittebestendige behuizingen, zullen deze problemen geleidelijk worden opgelost door het voortdurende onderzoek naar siliciumcarbide-vermogenselektronicatechnologie. Er zullen steeds meer en betere commerciële siliciumcarbide-vermogenselektronica op de markt komen, wat de toepassingsgebieden van siliciumcarbide-vermogenselektronica aanzienlijk zal uitbreiden. In de nabije toekomst zullen siliciumcarbide-vermogenselektronica sleutelcomponenten worden voor het verminderen van vermogensverlies, het verbeteren van de efficiëntie en de vermogensdichtheid in diverse convertertoepassingen.

Let op: Dit artikel is afkomstig van internet en ondersteunt de bescherming van intellectuele eigendomsrechten. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen