Trzecia generacja półprzewodników szerokopasmowych, reprezentowana przez węglik krzemu, może normalnie pracować w środowiskach o wyższej temperaturze, napięciu i częstotliwości, zużywając mniej energii oraz charakteryzując się większą trwałością i niezawodnością. Zapewni ona potencjał do rozwoju kolejnej generacji mniejszych, szybszych, tańszych i bardziej wydajnych produktów elektroniki mocy.

Rozwój i industrializacja technologii urządzeń energoelektronicznych z węglika krzemu (CEE) otworzą nowe zastosowania w systemach elektroenergetycznych wysokiego napięcia i będą miały głęboki wpływ na transformację tego systemu. Doskonałe parametry wysokiej sprawności, wysokiego napięcia, wysokiej temperatury i wysokiej częstotliwości urządzeń energoelektronicznych z węglika krzemu (CEE) dają im ogromny potencjał zastosowania w takich dziedzinach jak: urządzenia gospodarstwa domowego, energooszczędne silniki, pojazdy elektryczne, inteligentne sieci energetyczne, przemysł lotniczy i kosmiczny, poszukiwanie ropy naftowej, automatyka, radary i komunikacja.

Wprowadzenie do urządzeń elektronicznych mocy z węglika krzemu

1. Definicja węglika krzemu (SiC)

Urządzenie elektroniczne mocy z węglika krzemu (SiC) odnosi się do urządzenia elektronicznego mocy o szerokiej przerwie energetycznej, wykonanego z półprzewodnika trzeciej generacji SiC. Charakteryzuje się wysoką odpornością na temperaturę, wysoką częstotliwością i wysoką sprawnością. Ze względu na formę roboczą, urządzenia elektroniczne mocy z SiC obejmują głównie diody mocy i lampy przełączające. Diody mocy obejmują diody Schottky'ego z barierą złączową (JBS), diody PiN i diody superzłączowe; lampy przełączające mocy obejmują głównie tranzystory polowe MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik), tranzystory JFET (złącze polowe), tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT), tyrystory z bramką (GTO) i tyrystory z emiterem (ETO) itp.

2. Zalety techniczne

Doskonałe właściwości półprzewodników węglika krzemu sprawiają, że urządzenia elektroniki dużej mocy bazujące na węgliku krzemu mają następujące, wybitne zalety w porównaniu z urządzeniami krzemowymi:

(1) Ma niższą rezystancję przewodzenia. Przy niskim napięciu przebicia (około 50 V) rezystancja przewodzenia elementów z węglika krzemu wynosi zaledwie 1.12 uΩ, co stanowi około 1/100 rezystancji podobnych elementów krzemowych. Przy wysokim napięciu przebicia (około 5 kV) rezystancja przewodzenia wzrasta do 25.9 mΩ, co stanowi około 1/300 rezystancji podobnych elementów krzemowych. Niższa rezystancja przewodzenia pozwala urządzeniom energoelektronicznym z węglika krzemu na mniejsze straty przewodzenia, co przekłada się na wyższą ogólną sprawność maszyny.

(2) Ma wyższe napięcie przebicia. Na przykład: komercyjne krzemowe diody Schottky'ego zazwyczaj mają napięcie znamionowe mniejsze niż 300 V, ale napięcie znamionowe pierwszej komercyjnej diody Schottky'ego z węglika krzemu osiągnęło 600 V; napięcie znamionowe pierwszego komercyjnego tranzystora MOSFET z węglika krzemu wynosi 1200 V, podczas gdy najczęściej stosowane krzemowe tranzystory MOSFET mają napięcie poniżej 1 kV.

(3) Niższy opór cieplny obudowy złącza powoduje wolniejszy wzrost temperatury urządzenia.

(4) Wyższa temperatura pracy końcowej. Oczekuje się, że ekstremalna stabilność pracy węglika krzemu osiągnie ponad 600°C, podczas gdy maksymalna temperatura złącza urządzeń krzemowych wynosi zaledwie 150°C.

(5) Większa odporność na promieniowanie, co pozwala na zmniejszenie wagi sprzętu chroniącego przed promieniowaniem stosowanego w lotnictwie i innych dziedzinach.

(6) Większa stabilność, właściwości do przodu i do tyłu urządzeń z węglika krzemu zmieniają się bardzo nieznacznie wraz ze zmianą temperatury.

(7) Niższe straty wynikające z oszustw. Urządzenia z węglika krzemu charakteryzują się małymi stratami przełączania i mogą pracować przy wyższych częstotliwościach przełączania (>20 kHz), co jest trudne do osiągnięcia w przypadku urządzeń krzemowych o mocy rzędu dziesiątek kilowatów.

3. Główne kategorie

(1) Dioda Schottky'ego z węglika krzemu

Jako element unipolarny, dioda Schottky'ego (SBD) nie ma dodatkowego wstrzykiwania i magazynowania nośników podczas procesu przewodzenia, więc praktycznie nie występuje prąd powrotny. Proces wyłączania jest bardzo szybki, a straty przełączania są bardzo małe. Jednakże, bariera Schottky'ego krzemu jest niska, wsteczny prąd upływu krzemowej SBD jest stosunkowo duży, a napięcie blokowania jest niskie. Diody te mogą być stosowane tylko w układach niskonapięciowych od stu do dwustu woltów. Diody PiN są zwykle stosowane w układach o wyższych napięciach, ale ich wsteczny prąd powrotny jest duży, a straty przełączania są duże. Ze względu na wysoką krytyczną lawinową wytrzymałość pola elektrycznego materiałów z węglika krzemu, stosunkowo łatwo jest wytworzyć diody SBD z węglika krzemu o wstecznym napięciu przebicia przekraczającym 1000 V.

Bazując na tych unikalnych zaletach SiC, producenci półprzewodników, tacy jak Cree, wytwarzają wysokonapięciowe diody SiC Schottky'ego o natężeniu prądu pojedynczego urządzenia 1-20 A i napięciu 300 V, 600 V i 1200 V. Tabela 1 przedstawia obecnych głównych międzynarodowych producentów diod SBD z węglika krzemu i poziom ich komercyjnych produktów. Cree właśnie wprowadziło na rynek swoją najnowszą diodę SBD z węglika krzemu o napięciu 1700 V. W zastosowaniach przełączania wysokiego napięcia diody Schottky'ego SiC zapewniają niemal idealną wydajność. Nie mają praktycznie żadnego napięcia powrotnego, dzięki czemu mogą włączać się natychmiast. W przeciwieństwie do pojemności złącza, zgromadzony ładunek jest również bardzo mały i diody można szybko wyłączyć.

(2) Tranzystor mocy z węglika krzemu

Firma American SemiSouth Company przeprowadziła dogłębne badania nad tranzystorami JFET z węglika krzemu i jest obecnie głównym dostawcą komercyjnych tranzystorów JFET z węglika krzemu na świecie. Maksymalne napięcie znamionowe jej produktów JFET z węglika krzemu sięga 1700 V, a maksymalny prąd znamionowy wynosi 30 A.

Ze względu na doskonałe właściwości i udane zastosowania krzemowych tranzystorów MOSFET, tranzystory MOSFET z węglika krzemu stały się najpopularniejszym elementem w badaniach nad urządzeniami energoelektronicznymi z węglika krzemu. Amerykańska firma Cree stała się pionierem w przełomowych badaniach nad tranzystorami MOSFET z węglika krzemu i wprowadziła na rynek dwa komercyjne produkty MOSFET z węglika krzemu: 10 A/1200 V i 20 A/1200 V, stając się jedynym producentem na świecie oferującym komercyjne, dyskretne tranzystory MOSFET z węglika krzemu. Japońska firma Rohm Corporation również aktywnie promuje proces komercjalizacji swoich tranzystorów MOSFET z węglika krzemu. Te pierwsze tranzystory DMOSFET z węglika krzemu (SiC) z kanałem N były przeznaczone głównie do zastosowań 1200 V. Tranzystory MOSFET z węglika krzemu (SiC) na tym poziomie napięcia mają większe zalety niż obecne tranzystory krzemowe.

02

Stan rozwoju urządzeń z węglika krzemu za granicą 1. Stany Zjednoczone

Już w 1997 roku, w sformułowanym „Planie Obrony Narodowej i Nauki”, Stany Zjednoczone jasno określiły cele rozwoju półprzewodników szerokopasmowych. W 2014 roku prezydent Obama osobiście poprowadził do utworzenia sojuszu przemysłu półprzewodników szerokopasmowych trzeciej generacji, reprezentowanego przez SiC, w celu pełnego wsparcia technologii półprzewodników szerokopasmowych i zapewnienia wiodącej pozycji w dziedzinie innowacji technologicznych w produkcji elektroniki mocy nowej generacji. Sojusz otrzymał obecnie łącznie 140 milionów dolarów wsparcia od rządów federalnych i lokalnych. Planuje on sprawić, aby technologia półprzewodników szerokopasmowych stała się konkurencyjna pod względem kosztów w porównaniu z obecną technologią elektroniki mocy opartą na krzemie, stając się nową generacją energooszczędnych, wydajnych i wysokowydajnych układów i urządzeń elektroniki mocy. Będzie on liderem na wielu największych i najszybciej rozwijających się rynkach przemysłowych świata, w tym w sektorze elektroniki użytkowej, urządzeń przemysłowych, komunikacji, czystej energii itp., kompleksowo zwiększając międzynarodową konkurencyjność i tworząc wysoko płatne miejsca pracy.

2. Japonia

Od 1998 roku japoński rząd kontynuuje finansowanie badań nad technologią półprzewodników szerokopasmowych. W 2013 roku Japonia włączyła system materiałów SiC do „Strategii Premiera”, wierząc, że 50% oszczędności energii w przyszłości zostanie osiągnięte dzięki urządzeniom SiC, co zapoczątkuje nową erę czystej energii. W ostatnich latach Japońska Organizacja Rozwoju Nowych Technologii Przemysłowych Energetycznych (NEDO) uruchomiła plan badawczy dotyczący elektronicznych urządzeń mocy SiC, koncentrując się na zastosowaniu modułów mocy SiC w układach obwodów lokomotyw kolejowych, różnorodnych systemach wymiany energii, systemach wytwarzania energii elektrycznej i odzysku ciepła odpadowego z turbosprężarek elektrycznych, najnowocześniejszym sprzęcie medycznym oraz miniaturyzacji akceleratorów, aby osiągnąć cele oszczędzania energii i poprawy efektywności.

3. Unia Europejska

W 2014 roku Unia Europejska uruchomiła trzyletni (2014-2017) program badawczy w zakresie technologii zasilania SiC dla wysokosprawnych systemów energetycznych (SPEED), na który przeznaczono łącznie 18.58 mln euro. W programie uczestniczyło 12 instytucji badawczych i firm z 7 krajów. Celem programu jest wspólne zgłębienie technologii urządzeń elektronicznych mocy SiC poprzez współpracę wiodących światowych producentów i badaczy, przełamanie barier technicznych w całym łańcuchu technologicznym urządzeń elektronicznych mocy SiC oraz osiągnięcie szerokiego zastosowania w dziedzinie energii odnawialnej. W 2015 roku niemieckie Federalne Ministerstwo Badań Naukowych sfinansowało Instytut Technologii w Karlsruhe i partnerów przemysłowych (kwota finansowania 800 000 euro) na prowadzenie badań nad poprawą efektywności energetycznej zasilaczy wysokiej częstotliwości opartych na przełącznikach SiC w celu poprawy efektywności energetycznej zasilaczy w produkcji przemysłowej, zmniejszenia zużycia energii i emisji CO2. 03

Stan rozwoju urządzeń z węglika krzemu w Chinach

1. Tyco Tianrun

Firma Tyco Tianrun została założona w 2011 roku. Jej oferta produktowa obejmuje podstawowe produkty technologiczne, formowane produkty z węglika krzemu oraz różnorodne rozwiązania przemysłowe. Podstawowymi produktami są diody Schottky'ego z węglika krzemu.

W 2015 roku firma Tyco Tianrun ogłosiła wprowadzenie na rynek diody Schottky'ego z węglika krzemu o wysokiej mocy 3300 V/50 A. Według doniesień, produkt charakteryzuje się niskim spadkiem napięcia przewodzenia, dużą szybkością przełączania i doskonałą przewodnością cieplną, dzięki czemu nadaje się do zaawansowanych zastosowań, takich jak transport kolejowy i inteligentne sieci energetyczne.

Według raportów, typowy spadek napięcia przewodzenia diody Schottky'ego z węglika krzemu o wysokiej mocy 3300 V/50 A wynosi 2.22 V (IF=50 A, Tj=25°C) i 4.75 V (IF=50 A, Tj=175°C); typowy prąd upływu wstecznego wynosi 120 µA (VR=3300 V, Tj=25°C), 200 µA (VR=3300 V, Tj=175°C); maksymalizuje niezawodność w trudnych warunkach elektrycznych; może pracować normalnie w zakresie temperatur od -55°C do 175°C. Produkty są dostępne jako nieopakowane, gołe układy scalone, a opakowania urządzeń mogą być dostosowane do wymagań klienta.

2. Shenzhen Basic Semiconductor

Firma Shenzhen Basic Semiconductor została założona w 2016 roku, koncentrując się na badaniach i rozwoju oraz industrializacji urządzeń mocy z węglika krzemu. Jest jednym z inicjatorów powstania Instytutu Badań Półprzewodników Trzeciej Generacji w Shenzhen. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. od dawna koncentruje się na badaniach i rozwoju urządzeń mocy SiC. Jej główne produkty to diody SiC, tranzystory MOSFET SiC oraz moduły MOSFET SiC klasy motoryzacyjnej, które są szeroko stosowane w nowych elektrowniach, pojazdach energetycznych, transporcie kolejowym i inteligentnych sieciach energetycznych.

Tranzystor MOSFET z węglika krzemu o napięciu 1200 V, oficjalnie wprowadzony na rynek przez firmę Basic Semiconductor w październiku 2018 roku, jest pierwszym produktem klasy przemysłowej, niezależnie zaprojektowanym przez chińską firmę i pomyślnie przeszedł testy niezawodności. Jego parametry osiągnęły wiodący poziom na świecie, a czas zwarcia wynosi aż 6 μs.

3. Technologia Yangjie

Yangjie Technology specjalizuje się w rozwoju przemysłowym w dziedzinie produkcji układów scalonych i urządzeń półprzewodnikowych mocy, pakowania i testowania układów scalonych. Jej głównymi produktami są różnorodne układy scalone do urządzeń elektronicznych mocy, diody mocy, mostki prostownicze, moduły dużej mocy, produkty DFN/QFN, SGTMOS, SBD z węglika krzemu, JBS z węglika krzemu itp. Produkty te znajdują szerokie zastosowanie w elektronice użytkowej, systemach bezpieczeństwa, sterowaniu przemysłowym, elektronice samochodowej, nowych źródłach energii i wielu innych dziedzinach.

Oficjalna strona internetowa Yangjie Technology podaje, że obecnie dostępne są 4 moduły Schottky'ego z węglika krzemu: modele MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ i MB40DU12FJ. Z karty katalogowej wynika, że ​​model MB200DU01FJ może być stosowany w zasilaczach galwanicznych, zasilaczach wysokiej częstotliwości, zasilaczach impulsowych o dużym natężeniu prądu, zabezpieczeniach przed odwrotnym podłączeniem akumulatora, spawarkach i innych zastosowaniach.

3. Rdzeń błyszczący i wilgotny

Założona w marcu 2016 roku firma Xinguang Runze to zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo specjalizujące się w badaniach i rozwoju oraz produkcji półprzewodnikowych modułów mocy SiC trzeciej generacji. 18 września 2018 roku oficjalnie uruchomiono pierwszą krajową linię produkcyjną inteligentnych modułów mocy z węglika krzemu (SiCIPM) firmy Xinguang Runze. Projekt oficjalnie rozpoczął się w grudniu 2016 roku. Zakłada się, że po uruchomieniu stabilnej linii produkcyjnej, miesięczna produkcja może osiągnąć 300 000 sztuk, a roczna 3.6 miliona. Firma oferuje obecnie produkty z węglika krzemu, w tym tranzystory SBD z węglika krzemu i tranzystory MOSFET z węglika krzemu. Na przykład XGSCS1230SWA to jeden z modeli tranzystorów SBD z węglika krzemu, który może sprostać wymaganiom napięciowym 1200 V. Zastosowania obejmują zasilacze impulsowe, układy korekcji współczynnika mocy, falowniki, zasilacze UPS, napędy silnikowe itp.

4. Ruineng Semiconductor

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. to spółka joint venture z branży high-tech założona przez NXP Semiconductors i Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor koncentruje się na rozwijaniu wiodącego w branży, szerokiego i bogatego portfolio produktów bipolarnych półprzewodników mocy, obejmującego prostowniki sterowane krzemem i triaki, krzemowe diody mocy, tranzystory wysokonapięciowe oraz diody z węglika krzemu. Diody z węglika krzemu firmy są wykorzystywane głównie w przemyśle, serwerach, klimatyzatorach i innych dziedzinach. Z oficjalnej strony internetowej dowiedzieliśmy się, że Ruineng Semiconductor oferuje 25 modeli diod z węglika krzemu, z których wszystkie mogą spełniać wymagania napięciowe 650 V, takie jak model NXPSC16650B, który może być stosowany w korekcji współczynnika mocy, zasilaczach impulsowych, zasilaczach UPS, falownikach fotowoltaicznych, telewizorach LED/OLED, napędach silników i innych zastosowaniach.

5. Elektronika Szanghaj Zhanxin

Firma Shanghai Zhanxin Electronics zajmuje się opracowywaniem ekonomicznych układów scalonych i modułów mocy, których podstawą są elementy mocy z węglika krzemu. Dostarcza ona kompletne rozwiązania półprzewodnikowe umożliwiające miniaturyzację, zwiększenie wydajności i redukcję masy zasilaczy i układów napędowych.

W październiku 2017 roku zakończono proces produkcji tranzystorów MOSFET z węglika krzemu (SiC) na dojrzałej, seryjnie produkowanej linii produkcyjnej o średnicy 6 cali. Wyniki testów na poziomie wafli pokazują, że różne parametry elektryczne spełniają oczekiwania, co stanowi solidny fundament dla dalszej optymalizacji procesu i projektowania urządzeń. 1 maja 2018 roku oficjalnie narodził się pierwszy krajowy 6-calowy wafel MOSFET z SiC.

04

Typowe zastosowania urządzeń z węglika krzemu 1. Infrastruktura 5G – zasilanie komunikacji

Zasilacz komunikacyjny to bank energii dla komunikacji serwerów i stacji bazowych. Zapewnia zasilanie dla różnych urządzeń transmisyjnych i gwarantuje prawidłowe działanie systemu komunikacyjnego. Wysokoczęstotliwościowe charakterystyki tranzystora MOSFET z węglika krzemu sprawiają, że element magnetyczny w obwodzie zasilania jest mniejszy i lżejszy, a ogólna sprawność zasilacza jest wyższa; charakterystyka odzysku zwrotnego diody Schottky'ego z węglika krzemu jest bliska zeru, co stwarza szerokie możliwości zastosowania w wielu układach PFC. Na przykład, w wysokowydajnym zasilaczu komunikacyjnym o mocy 3 kW z mostkiem i przeplotem, zastosowanie diod Schottky'ego z węglika krzemu o napięciu 650 V/10 A pozwala klientom osiągnąć wysokie wymagania techniczne w zakresie sprawności przy pełnym obciążeniu wynoszącej co najmniej 95%.

2. Nowy moduł ładowania pojazdów elektrycznych – moduł zasilania modułu ładowania

Szybki rozwój branży pojazdów elektrycznych napędzanych nowymi źródłami energii (NEV) przyczynił się do wzrostu popytu na kolumny ładujące. W przypadku pojazdów elektrycznych NV, zwiększenie prędkości ładowania i obniżenie kosztów to dwa główne cele rozwoju branży. Zastosowanie elementów z węglika krzemu w modułach ładowania ogniw pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności i mocy ładowania ogniw, zwiększając tym samym prędkość ładowania i obniżając jego koszty.

3. Duże centrum danych, Internet przemysłowy - zasilanie serwerów

Zasilacz serwerowy to bank energii serwerowej. Serwer dostarcza energię, aby zapewnić prawidłowe działanie systemu serwerowego. Zastosowanie elementów mocy z węglika krzemu w zasilaczach serwerowych może poprawić gęstość mocy i wydajność zasilaczy serwerowych, zmniejszyć całkowity rozmiar centrum danych, obniżyć całkowity koszt jego budowy oraz osiągnąć wyższą efektywność środowiskową. Na przykład, w module zasilania serwera o mocy 3 kW, zastosowanie tranzystorów MOSFET z węglika krzemu w układzie PFC typu totem pole może znacznie poprawić wydajność zasilacza serwerowego i spełnić wymagania dotyczące wyższej sprawności.

4. Ultrawysokie napięcie – zastosowanie elastycznych wyłączników prądu stałego

Jako projekt systemowy na dużą skalę, UHV generuje szereg zapotrzebowania na surowce i komponenty. Urządzenia zasilające są kluczowymi elementami elastycznej technologii przesyłu FACTS w przesyłach prądu stałego UHV po stronie przesyłu oraz transformatorami elektronicznymi (PET) po stronie stacji elektroenergetycznej. Niezawodność wyłączników prądu stałego, jako jednego z kluczowych elementów elastycznego przesyłu prądu stałego, ma ogromny wpływ na stabilność całego systemu przesyłowego. Wykorzystanie tradycyjnych urządzeń krzemowych do projektowania wyłączników prądu stałego wymaga szeregowego łączenia podzespołów wielopoziomowych. Zastosowanie wysokonapięciowych urządzeń z węglika krzemu w wyłącznikach prądu stałego może znacznie zmniejszyć liczbę podzespołów szeregowych, co jest kluczowym kierunkiem badań przemysłowych.

5. Kolej międzymiastowa dużej prędkości i międzymiastowy transport kolejowy – przetwornica trakcyjna, transformator elektroniczny mocy, przetwornica pomocnicza, zasilanie pomocnicze

Przyszły transport kolejowy będzie stawiać wyższe wymagania urządzeniom energoelektronicznym, takim jak przetwornice trakcyjne, przetwornice napięcia elektroniki mocy itp. Zastosowanie urządzeń energetycznych z węglika krzemu może znacznie poprawić gęstość mocy i sprawność roboczą tych urządzeń, co pozwoli znacząco zmniejszyć obciążenie układu nośnego transportu kolejowego. Urządzenia z węglika krzemu pozwalają na osiągnięcie jeszcze wyższej sprawności i miniaturyzacji sprzętu, a także oferują ogromne korzyści techniczne w transporcie kolejowym. Japoński Shinkansen N700S jest liderem w stosowaniu urządzeń energetycznych z węglika krzemu w przetwornicach trakcyjnych, co pozwoliło znacząco zmniejszyć masę pojazdu, osiągnąć wyższą sprawność nośną i obniżyć koszty eksploatacji.

05

Wnioski. Chociaż urządzenia energoelektroniczne z węglika krzemu (CHM) nadal borykają się z problemami, takimi jak niska moc wyjściowa, wysoka cena, niewielka liczba dostępnych na rynku urządzeń oraz brak obudów wysokotemperaturowych, dzięki ciągłemu pogłębianiu badań nad technologią urządzeń energoelektronicznych z węglika krzemu, problemy te zostaną stopniowo rozwiązane. Na rynek trafią kolejne, lepsze, komercyjne urządzenia energoelektroniczne z węglika krzemu, co znacznie poszerzy zakres ich zastosowań. W niedalekiej przyszłości urządzenia energoelektroniczne z węglika krzemu (CHM) staną się kluczowymi urządzeniami do redukcji strat mocy, poprawy sprawności i gęstości mocy w różnych zastosowaniach przekształtnikowych.

Uwaga: Niniejszy artykuł został przedrukowany z Internetu i służy ochronie praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen