Beschrijven

Elektriciteit ontwikkelt zich in de richting van materialen met een brede bandafstand (WBG), zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN). Hoewel silicium nog steeds de markt domineert, zullen SiC- en GaN-apparaten binnenkort een nieuwe generatie efficiëntere technische oplossingen opleveren.Volgens Yole Dé, een marktonderzoeksorganisatie met hoofdkantoor in Frankrijk; Veloppement schat dat de inkomsten uit SiC-apparaten in 2025 meer dan 10% van de totale markt voor vermogenselektronica zullen uitmaken, en dat de inkomsten uit GaN-apparaten meer dan 2% zullen bedragen.Bekende leveranciers van SiC-componenten zijn onder meer stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor en Mitsubishi Electric.Cree introduceerde de eerste commerciële 900V SiC power MOSFET en Wolfspeed 650V SiC MOSFET-portfolio; Microchip en ROHM hebben beide een SiC MOSFET en diode uitgebracht; Feiling heeft acht 650V CoolSiC MOSFET-apparaten geïntroduceerd. . .. . Hieruit blijkt dat alle grote fabrikanten hun eigen lay-out- en ontwikkelingsstrategieën voor SiC-materialen hebben.Wat is het prestatievoordeel van siliciumcarbide ten opzichte van silicium?Silicium is lange tijd het belangrijkste halfgeleidermateriaal geweest in de meeste elektronische toepassingen, maar vergeleken met SiC is het inefficiënt. Tegenwoordig wordt SiC door veel toepassingen, vooral elektrische voertuigen, toegepast om tegemoet te komen aan de energie- en kostenuitdagingen die gepaard gaan met de ontwikkeling van apparaten met hoog rendement en hoog vermogen.SiC bestaat uit puur silicium en koolstof. Vergeleken met silicium heeft SiC drie voordelen: hogere kritische lawine-doorbraakveldsterkte, hogere thermische geleidbaarheid en een grotere bandafstand.SiC heeft een brede bandafstand van 3 elektronvolt (eV) en is bestand tegen een spanningsgradiënt die acht keer groter is dan die van silicium zonder lawine-doorslag. Hoe groter de bandafstand, hoe kleiner de lekstroom bij hoge temperaturen en hoe hoger het rendement. Hoe groter de thermische geleidbaarheid, hoe hoger de stroomdichtheid.

Figuur 1: Prestatievoordelen van siliciumcarbide vergeleken met silicium

SiC-substraat heeft een hogere elektrische veldsterkte, dus een dunnere basisstructuur kan worden gebruikt, en de dikte ervan kan slechts een tiende zijn van die van de epitaxiale siliciumlaag. Bovendien is de doteringsconcentratie van SiC 2 keer hoger dan die van silicium, waardoor de oppervlakteweerstand van het apparaat wordt verminderd en het geleidingsverlies ook aanzienlijk wordt verminderd.SiC wordt erkend als een technologie die silicium op betrouwbare wijze kan vervangen. Veel fabrikanten van voedingsmodules en stroomomvormers zijn van plan SiC-technologie te gebruiken in hun toekomstige productroadmaps.Deze technologie met brede bandafstand vermindert het schakelverlies en geleidingsverlies onder specifieke belastingen aanzienlijk, verbetert het beheer van de warmtedissipatie en zorgt voor een ongekende energie-efficiëntie. In vermogenselektronische systemen is het ontwerp van de warmteafvoer erg belangrijk, wat een hoge energiedichtheid kan garanderen en de circuitgrootte kan verkleinen. In deze toepassingen is SiC een ideaal halfgeleidermateriaal omdat de thermische geleidbaarheid ervan drie keer zo groot is als die van siliciumhalfgeleiders.SiC-technologie is geschikt voor projecten met een hoog vermogen, zoals motoren, drivers en omvormers. Fabrikanten van elektrische aandrijvingen ontwikkelen nieuwe aandrijfcircuits om te voldoen aan de vraag van omvormers naar een hogere schakelfrequentie, en passen een complexere en ingenieuzere topologie toe om elektromagnetische interferentie (EMI) te verminderen.SiC-apparaten vereisen minder externe componenten, een betrouwbaardere systeemindeling en lagere productiekosten. Met een hoger rendement, een kleiner totaalformaat en een lager gewicht worden de koelvereisten van een intelligent ontwerp dienovereenkomstig verminderd.Toepassing van siliciumcarbide

Elektrische auto/hybride auto

Verschillende autofabrikanten hebben het voortouw genomen bij het op de markt brengen van hybride en elektrische voertuigen door gebruik te maken van nieuwe energieconcepten. Deze voertuigen bevatten nieuwe apparaten en systemen, zoals frequentieomvormers (tot 300 kW) voor het aandrijven van motoren, voertuigacculaders van 3.6 kW tot 22 kW, inductieladers van 3.6 kW tot 22 kW (draadloos opladen), DC/DC-omvormers tot 5 kW en omvormers voor hulpbelastingen zoals airconditioning en stuurbekrachtigingssystemen.Hoogspanningsbatterijen vormen een van de belangrijkste obstakels voor de ontwikkeling van hybride en elektrische voertuigen. Met behulp van SiC kunnen autofabrikanten de batterijgrootte en de totale kosten van elektrische voertuigen verlagen.Omdat SiC goede warmteafvoerprestaties heeft, kunnen fabrikanten bovendien de kosten voor het koelen van aandrijflijnapparaten verlagen. Dit helpt het gewicht en de kosten van elektrische voertuigen te verminderen.Elektrisch voertuig/hybride voertuig is ook een van de strategische SiC-sleutelmarkten van Anson Semiconductor. Op de online media-uitwisselingsbijeenkomst van "Anson Semiconductor Silicon Carbide Strategy and Scheme" die onlangs werd gehouden, zei Wang Limin, productmarketingmanager van de afdeling stroomvoorzieningschema's van het bedrijf:Elektrische voertuigen zijn een van de belangrijkste drijvende krachten achter siliciumcarbide en nemen ongeveer 60% van de totale marktcapaciteit voor siliciumcarbide voor hun rekening. Siliciumcarbide-apparaten die worden gebruikt in de hoofdaandrijving, OBC en DC-DC kunnen de efficiëntie aanzienlijk verbeteren, waardoor het uithoudingsvermogen van elektrische voertuigen kan worden vergroot. Op basis van deze voordelen gebruiken momenteel bijna alle fabrikanten van hoofdomvormers siliciumcarbide als de hoofdaandrijfrichting.

Figuur 2: Elektrisch voertuig is een van de belangrijkste drijvende krachten achter siliciumcarbide.

De voertuiglader bevat verschillende vermogensomzettingsapparaten, zoals diodes en MOSFET's. Het doel is om het volume van vermogenselektronische schakelingen kleiner te maken door gebruik te maken van kleine passieve componenten, om ze allemaal met elkaar te integreren.Dit doel kan worden bereikt als de gebruikte halfgeleiderapparaten in hetzelfde circuit met een hoge schakelfrequentie kunnen worden aangestuurd. Vanwege de slechte warmteafvoerprestaties van silicium is de oplossing met hoge schakelfrequentie echter niet geschikt. SiC-MOSFET's bieden een ideale oplossing voor dergelijke toepassingen.Momenteel gebruiken de meeste OBC- en DC-DC-fabrikanten siliciumcarbide-apparaten als apparaten met hoog rendement, hoge spanning en hoge frequentie.Wang Limin bijvoorbeeldCalifornië heeft een uitvoerend bevel ondertekend om het doel van 5 miljoen elektrische voertuigen op de weg tegen 2030 te bereiken;Europa heeft ook een tijdschema waarin alle elektrische voertuigen brandstofvoertuigen moeten vervangen;In de belangrijkste Chinese steden kunnen elektrische voertuigen gratis een vergunning krijgen.Al dit beleid heeft de substantiële groei van elektrische voertuigen bevorderd, en de vraag van elektrische voertuigen naar apparaten met hoge spanning, hoge frequentie en hoog rendement heeft ook de substantiële groei van de siliciumcarbidemarkt bevorderd.5G-voeding en schakelende voedingHet veld van 5G-voeding en schakelende voeding (SMPS) is de tweede strategische markt voor siliciumcarbide voor Anson Semiconductor.Het traditionele veld voor schakelende voedingen is Boost en hoogspanningsvoeding, die altijd hoge eisen heeft gesteld aan de vermogensdichtheid. Van de vroegste gouden standaard en zilveren standaard op het gebied van communicatiestroomvoorziening tot de huidige 5G-communicatiestroomvoorziening en cloud-datacenterstroomvoorziening, deze stellen allemaal hoge eisen aan een hoge energie-efficiëntie."Siliciumcarbide-apparaten hebben geen omgekeerd herstel, waardoor de voeding energie-efficiënt is en wel 98% kan bereiken. En 5G-voeding is momenteel de meest traditionele en relatief grote markt voor siliciumcarbide-apparaten. " zei Wang Limin.

Figuur 3: Siliciumcarbide kan worden gebruikt in 5G-voeding en schakelende voeding.

Oplaadstapel voor elektrische voertuigenOplaadpalen voor elektrische voertuigen zijn ook een van onze strategische markten voor siliciumcarbide. Er zijn veel manieren om laadpalen op te laden, en nu zijn consumenten het meest geïnteresseerd in snelladen met gelijkstroom.De laadpaal met snel DC-laden heeft een zeer groot laadvermogen en een zeer hoge laadefficiëntie nodig, die allemaal door hoogspanning moeten worden gerealiseerd.Bij de toepassing van laadpalen voor elektrische voertuigen, ongeacht of siliciumcarbide in de boost- of uitgangsdiode zit, zijn er veel laadpaalschema's van siliciumcarbide-MOSFET's die gebruikmaken van de hoofdschakelaar. Hun toepassingsmogelijkheden zijn zeer breed.

Figuur 4: Oplaadpaal voor elektrische voertuigen is ook een toepassingsgebied van siliciumcarbide.

Zonne-omvormer

Ook op het gebied van zonne-omvormers worden siliciumcarbidedioden veel gebruikt. De installatie van omvormers voor zonne-energie blijft elk jaar toenemen en er wordt geschat dat 15% van de energie (momenteel 1%) in de komende 10 tot 15 jaar uit zonne-energie zal komen. Zonne-energie is gratis en onuitputtelijk. Er is binnenlands beleid ingevoerd en individuen kunnen zonne-energie verkopen aan het staatsnet."Siliciumcarbide halfgeleider kan worden toegepast op de Boost-omvormer voor zonne-energie. Nu de kosten van zonne-omvormers worden geoptimaliseerd, zullen veel fabrikanten siliciumcarbide-MOSFET's gebruiken als het belangrijkste omvormerapparaat, ter vervanging van het oorspronkelijke drietraps (omvormer)regelsysteem. Wang Limin zei: “Wat het beleid betreft heeft de EU een 20-20-20-doelstelling, dat wil zeggen dat tegen 2020 de energie-efficiëntie met 20% zal zijn toegenomen, de uitstoot van kooldioxide met 20% zal zijn verminderd en hernieuwbare energie 20% zal bereiken. NEA heeft ook een doelstelling voor schone energie gesteld om in 20 in 2030% van de Chinese energievraag te voorzien.’

Figuur 5: Toepassing van siliciumcarbide in een zonne-omvormer

label

Langetermijnbetrouwbaarheid is het symbool geworden van SiC-MOSFET. De volgende taak van halfgeleiderfabrikanten is het ontwikkelen van multi-chip-vermogensmodules of hybride modules, waarbij traditionele siliciumtransistors en SiC-diodes in hetzelfde fysieke apparaat worden geïntegreerd. Met een hogere doorslagspanning kunnen deze modules bij hogere temperaturen werken. Ze kunnen ook een hoog rendement bieden, terwijl de omvang van de apparatuur verder wordt verkleind.Vanuit het oogpunt van de huidige marktprijs heeft SiC MOSFET een systeemvoordeel ten opzichte van silicium IGBT. Bovendien wordt verwacht dat de prijs van SiC MOSFET zal blijven dalen met de brede acceptatie van 150mm waferproductie.Sommige fabrikanten zijn begonnen met de productie van wafers van 200 mm (8 inch). Met de toename van de wafelgrootte zullen de kosten per chip afnemen, maar de opbrengst kan ook afnemen. Daarom moeten fabrikanten hun processen voortdurend verbeteren.Vanwege de hoge productiekosten van SiC-apparaten en het gebrek aan massaproductie is het echter moeilijk om op grote schaal te worden gebruikt. De massaproductie van SiC-apparaten vereist een goed ontworpen, robuuste architectuur en productieproces. Bij het testen van wafers moeten de geteste apparaten bijvoorbeeld kleiner zijn en in een hoger stroom- en spanningsbereik werken.Zodra deze problemen zijn opgelost, zullen OEM-ontwerpers meer SiC-apparaten adopteren, volledig gebruik maken van hun goede elektrische eigenschappen, de systeemkosten aanzienlijk verlagen en de algehele efficiëntie verbeteren.

Disclaimer: dit artikel is overgenomen van "Elektronische liefhebbers". Dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur en vertegenwoordigt niet de mening van Sacco Micro en de industrie. Het herdrukken en delen is alleen bedoeld om de bescherming van intellectuele eigendomsrechten te ondersteunen. Vermeld bij herdruk de originele bron en auteur. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.

Bedrijf Tel: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 332496225 Manager Qiu
Adres: Kamer 809, Blok C, Zhantao Technology Building, No.1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen