Jakie są zalety węglika krzemu w porównaniu z krzemem?

Opisać

Energia elektryczna rozwija się w kierunku materiałów o szerokim paśmie wzbronionym (WBG), takich jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN). Chociaż krzem nadal dominuje na rynku, urządzenia SiC i GaN wkrótce zaowocują nową generacją bardziej wydajnych rozwiązań technicznych.Według Yole Dé, organizacji badawczej z siedzibą we Francji; Veloppement szacuje, że do 2025 roku przychody urządzeń SiC będą stanowić ponad 10% całego rynku energoelektroniki, a przychody urządzeń GaN przekroczą 2%.Znani dostawcy komponentów SiC to stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor i Mitsubishi Electric.Cree wprowadziło na rynek pierwszy komercyjny tranzystor MOSFET SiC 900 V oraz gamę tranzystorów MOSFET SiC Wolfspeed 650 V; Microchip i ROHM wypuściły na rynek tranzystory MOSFET i diody SiC; Firma Feiling wprowadziła na rynek osiem układów MOSFET CoolSiC o napięciu 650 V. . .. . Widać z tego, że wszyscy główni producenci mają własne strategie projektowania i rozwoju materiałów SiC.Jaka jest przewaga wydajnościowa węglika krzemu nad krzemem?Krzem od dawna jest kluczowym materiałem półprzewodnikowym w większości zastosowań elektronicznych, ale w porównaniu z SiC jest nieefektywny. Obecnie SiC został zastosowany w wielu zastosowaniach, zwłaszcza w pojazdach elektrycznych, aby sprostać wyzwaniom energetycznym i kosztowym związanym z opracowywaniem urządzeń o wysokiej wydajności i dużej mocy.SiC składa się z czystego krzemu i węgla. W porównaniu z krzemem SiC ma trzy zalety: wyższe krytyczne natężenie pola przebicia lawinowego, wyższą przewodność cieplną i szerszą przerwę wzbronioną.SiC ma szerokie pasmo wzbronione wynoszące 3 elektronowoltów (eV) i może wytrzymać gradient napięcia 8 razy większy niż krzem bez przebicia lawinowego. Im szersza przerwa wzbroniona, tym mniejszy prąd upływowy w wysokiej temperaturze i wyższa wydajność. Im większa przewodność cieplna, tym większa gęstość prądu.

Rysunek 1: Zalety węglika krzemu w porównaniu z krzemem

Podłoże SiC charakteryzuje się większym natężeniem pola elektrycznego, dlatego można zastosować cieńszą strukturę bazową, a jej grubość może wynosić tylko jedną dziesiątą grubości krzemowej warstwy epitaksjalnej. Ponadto stężenie domieszkowania SiC jest 2 razy większe niż krzemu, dzięki czemu zmniejsza się rezystancja powierzchniowa urządzenia, a także znacznie zmniejszają się straty przewodzenia.SiC zostało uznane za technologię, która może niezawodnie zastąpić krzem. Wielu producentów modułów mocy i przetwornic mocy planuje wykorzystanie technologii SiC w swoich przyszłych planach rozwoju produktów.Ta technologia szerokiego pasma wzbronionego znacznie zmniejsza straty przełączania i przewodzenia pod określonymi obciążeniami, poprawia zarządzanie rozpraszaniem ciepła i zapewnia niespotykaną dotąd efektywność energetyczną. W układach energoelektronicznych bardzo ważny jest projekt rozpraszania ciepła, który może zapewnić wysoką gęstość energii i zmniejszyć rozmiar obwodu. W tych zastosowaniach SiC jest idealnym materiałem półprzewodnikowym, ponieważ jego przewodność cieplna jest trzykrotnie większa niż w przypadku półprzewodników krzemowych.Technologia SiC nadaje się do projektów o dużej mocy, takich jak silniki, sterowniki i falowniki. Producenci sterowników elektrycznych opracowują nowe obwody sterujące, aby sprostać wymaganiom konwertera w zakresie wyższej częstotliwości przełączania oraz przyjmują bardziej złożoną i pomysłową topologię w celu zmniejszenia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).Urządzenia SiC wymagają mniejszej liczby komponentów zewnętrznych, bardziej niezawodnego układu systemu i niższych kosztów produkcji. Dzięki wyższej wydajności, mniejszym rozmiarom całkowitym i mniejszej masie wymagania dotyczące chłodzenia w ramach inteligentnej konstrukcji są odpowiednio zmniejszone.Zastosowanie węglika krzemu

Samochód elektryczny/samochód hybrydowy

Kilku producentów samochodów objęło inicjatywę we wprowadzaniu na rynek pojazdów hybrydowych i elektrycznych, stosując nowe koncepcje zasilania. Pojazdy te wyposażone są w nowe urządzenia i systemy, takie jak przetwornice częstotliwości (do 300kW) do zasilania silników, ładowarki akumulatorów pojazdów od 3.6kW do 22kW, ładowarki indukcyjne od 3.6kW do 22kW (ładowanie bezprzewodowe), przetwornice DC/DC do 5kW oraz inwertery do obciążeń pomocniczych, takich jak klimatyzatory i układy wspomagania kierownicy.Akumulatory wysokiego napięcia to jedna z głównych przeszkód w rozwoju pojazdów hybrydowych i elektrycznych. Stosując SiC, producenci samochodów mogą zmniejszyć rozmiar akumulatorów i całkowity koszt pojazdów elektrycznych.Ponadto, ponieważ SiC ma dobrą wydajność rozpraszania ciepła, producenci mogą również obniżyć koszty chłodzenia urządzeń układu napędowego. Pomaga to zmniejszyć wagę i koszt pojazdów elektrycznych.Pojazdy elektryczne/hybrydowe to także jeden ze strategicznych kluczowych rynków SiC firmy Anson Semiconductor. Podczas niedawno zorganizowanego internetowego spotkania medialnego pt. „Anson Semiconductor Silicon Carbide Strategy and Scheme”, Wang Limin, kierownik ds. marketingu produktów w dziale schematu zasilania firmy, powiedział:Pojazdy elektryczne są jedną z głównych sił napędowych węglika krzemu i odpowiadają za około 60% całkowitej zdolności rynkowej węglika krzemu. Urządzenia z węglika krzemu stosowane w napędzie głównym, OBC i DC-DC mogą znacznie poprawić wydajność, a co za tym idzie, zwiększyć trwałość pojazdów elektrycznych. Bazując na tych zaletach, obecnie prawie wszyscy producenci falowników napędu głównego stosują węglik krzemu jako główny kierunek napędu.

Rysunek 2: Pojazd elektryczny jest jedną z głównych sił napędowych węglika krzemu.

Ładowarka samochodowa zawiera różne urządzenia przetwarzające energię, takie jak diody i MOSFET. Jego celem jest zmniejszenie objętości układów energoelektronicznych poprzez zastosowanie małych elementów pasywnych, tak aby je wszystkie zintegrować.Cel ten można osiągnąć, jeśli zastosowane urządzenia półprzewodnikowe będą mogły być sterowane w tym samym obwodzie z dużą częstotliwością przełączania. Jednak ze względu na słabą wydajność rozpraszania ciepła przez krzem, rozwiązanie o wysokiej częstotliwości przełączania nie jest odpowiednie. Tranzystor MOSFET SiC stanowi idealne rozwiązanie dla takich zastosowań.Obecnie większość producentów OBC i DC-DC wykorzystuje urządzenia z węglika krzemu jako urządzenia zasilające o wysokiej wydajności, wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości.Wang Limin np.Kalifornia podpisała zarządzenie wykonawcze mające na celu osiągnięcie celu 5 milionów pojazdów elektrycznych na drogach do 2030 r.;Europa ma również harmonogram zastępowania pojazdów napędzanych paliwem wszystkimi pojazdami elektrycznymi;W głównych chińskich miastach pierwszego poziomu licencjonowanie pojazdów elektrycznych może być bezpłatne.Wszystkie te polityki przyczyniły się do znacznego wzrostu liczby pojazdów elektrycznych, a popyt na pojazdy elektryczne na urządzenia wysokiego napięcia, wysokiej częstotliwości i wysokiej wydajności przyczynił się również do znacznego wzrostu rynku węglika krzemu.Zasilanie 5G i zasilacz impulsowyObszar zasilaczy 5G i zasilaczy impulsowych (SMPS) to drugi strategiczny rynek węglika krzemu dla Anson Semiconductor.Tradycyjnym obszarem zasilaczy impulsowych są zasilacze Boost i wysokonapięciowe, które zawsze miały wysokie wymagania dotyczące gęstości mocy. Od najwcześniejszego złotego i srebrnego standardu zasilania komunikacyjnego po obecne zasilanie komunikacyjne 5G i zasilanie centrum danych w chmurze – wszystkie te rozwiązania mają wysokie wymagania w zakresie wysokiej efektywności energetycznej.„Urządzenia z węglika krzemu nie mają odzysku zwrotnego, co sprawia, że zasilacz jest energooszczędny, który może osiągnąć 98%. Zasilacze 5G to obecnie najbardziej tradycyjny i stosunkowo duży rynek urządzeń z węglika krzemu. " – powiedział Wang Limin.

Rysunek 3: Węglik krzemu może być stosowany w zasilaczach 5G i zasilaczach impulsowych.

Stos ładowania pojazdów elektrycznychStos do ładowania pojazdów elektrycznych jest również jednym z naszych strategicznych rynków węglika krzemu. Istnieje wiele schematów ładowania stosów, a obecnie konsumenci najbardziej interesują się szybkim ładowaniem DC.Stos ładujący z szybkim ładowaniem DC wymaga bardzo dużej mocy ładowania i bardzo wysokiej wydajności ładowania, a wszystko to musi być realizowane za pomocą wysokiego napięcia.W zastosowaniach stosu ładowania pojazdów elektrycznych, niezależnie od tego, czy węglik krzemu jest w trybie Boost, czy jako dioda wyjściowa, istnieje wiele schematów stosów ładowania MOSFET-u z węglika krzemu wykorzystujących główny wyłącznik, a ich perspektywy zastosowań są bardzo szerokie.

Rysunek 4: Stos do ładowania pojazdów elektrycznych jest również obszarem zastosowania węglika krzemu.

Falownik solarny

W dziedzinie inwerterów słonecznych bardzo popularne jest również wykorzystanie diod z węglika krzemu. Liczba instalacji falowników fotowoltaicznych rośnie z roku na rok i szacuje się, że w ciągu najbliższych 15–1 lat 10% energii (obecnie 15%) będzie pochodzić z energii słonecznej. Energia słoneczna jest bezpłatna i niewyczerpana. Wprowadzono politykę krajową i osoby fizyczne mogą sprzedawać energię słoneczną do sieci państwowej.„Półprzewodnik z węglika krzemu można zastosować do wzmocnienia falownika słonecznego. W związku z optymalizacją kosztów inwerterów słonecznych wielu producentów będzie stosować tranzystory MOSFET z węglika krzemu jako główne urządzenia inwerterowe, zastępując nimi tradycyjne, trójstopniowe (inwerterowe) układy sterowania. Wang Limin powiedział: „Jeśli chodzi o kształtowanie polityki, UE wyznaczyła sobie cel 20-20-20, co oznacza, że do 2020 r. efektywność energetyczna zostanie zwiększona o 20%, emisje dwutlenku węgla zostaną zmniejszone o 20%, a energia odnawialna osiągnie 20%. NEA wyznaczyła również cel dotyczący czystej energii, aby zaspokoić 20% zapotrzebowania Chin na energię do 2030 r. ”.

Rysunek 5: Zastosowanie węglika krzemu w falowniku fotowoltaicznym

etykieta

Długoterminowa niezawodność stała się symbolem tranzystorów MOSFET SiC. Następnym zadaniem producentów półprzewodników jest opracowanie wieloprocesorowych modułów mocy lub modułów hybrydowych, integrujących tradycyjne tranzystory krzemowe i diody SiC na tym samym urządzeniu fizycznym. Przy wyższym napięciu przebicia moduły te mogą pracować w wyższej temperaturze. Mogą również zapewnić wysoką wydajność przy dalszym zmniejszaniu rozmiaru sprzętu.Z punktu widzenia obecnych cen rynkowych, tranzystory MOSFET SiC mają przewagę systemową nad tranzystorami IGBT z krzemu. Co więcej, wraz z upowszechnieniem się produkcji płytek o średnicy 150 mm, oczekuje się, że cena tranzystorów MOSFET SiC będzie nadal spadać.Niektórzy producenci rozpoczęli produkcję płytek o średnicy 200 mm (8 cali). Wraz ze wzrostem wielkości płytki koszt matrycy będzie się zmniejszał, ale wydajność może również spadać. Dlatego producenci muszą stale doskonalić swoje procesy.Jednak ze względu na wysokie koszty produkcji urządzeń SiC i brak masowej produkcji, trudno jest je powszechnie stosować. Masowa produkcja urządzeń SiC wymaga dobrze zaprojektowanej, solidnej architektury i procesu produkcyjnego. Na przykład podczas testowania płytek ceramicznych wymagane jest, aby testowane urządzenia były mniejsze i pracowały w wyższym zakresie prądu i napięcia.Po rozwiązaniu tych problemów projektanci OEM zastosują więcej urządzeń SiC, w pełni wykorzystają ich dobre właściwości elektryczne, znacznie obniżą koszty systemu i poprawią ogólną wydajność.

Zastrzeżenie: Ten artykuł pochodzi z „Entuzjastów elektroniki”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora i nie reprezentuje poglądów Sacco Micro ani branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania w celu wspierania ochrony praw własności intelektualnej. Przy przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. Jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.

Tel firmy: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Menedżer Qiu
Adres: pokój 809, blok C, budynek Zhantao Technology, nr 1079 Minzhi Avenue, Longhua New District, Shenzhen