Quais são as vantagens do carboneto de silício em comparação com o silício?

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A eletricidade está se desenvolvendo em direção a materiais de banda larga (WBG), como carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN). Embora o silício ainda domine o mercado, os dispositivos SiC e GaN darão em breve origem a uma nova geração de soluções técnicas mais eficientes.De acordo com Yole Dé, organização de pesquisa de mercado com sede na França; A Veloppement estima que, até 2025, a receita dos dispositivos SiC representará mais de 10% do mercado geral de eletrônicos de potência, e a receita dos dispositivos GaN excederá 2%.Fornecedores conhecidos de componentes SiC incluem stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor e Mitsubishi Electric.A Cree apresentou o primeiro portfólio comercial de MOSFET de potência SiC de 900 V e MOSFET de SiC Wolfspeed 650 V; Microchip e ROHM lançaram SiC MOSFET e diodo; Feiling lançou oito dispositivos CoolSiC MOSFET de 650V. . .。 . Pode-se perceber a partir disso que todos os principais fabricantes têm suas próprias estratégias de layout e desenvolvimento em materiais de SiC.Qual é a vantagem de desempenho do carboneto de silício em relação ao silício?O silício tem sido o principal material semicondutor na maioria das aplicações eletrônicas, mas comparado ao SiC, é ineficiente. Hoje em dia, o SiC tem sido adotado por muitas aplicações, especialmente veículos elétricos, para enfrentar os desafios energéticos e de custo do desenvolvimento de dispositivos de alta eficiência e alta potência.O SiC é composto de silício puro e carbono. Comparado com o silício, o SiC tem três vantagens: maior intensidade crítica do campo de ruptura de avalanche, maior condutividade térmica e maior intervalo de banda.O SiC tem um amplo intervalo de banda de 3 elétron-volts (eV) e pode suportar um gradiente de tensão 8 vezes maior que o do silício sem quebra de avalanche. Quanto maior o intervalo de banda, menor será a corrente de fuga em alta temperatura e maior será a eficiência. Quanto maior for a condutividade térmica, maior será a densidade de corrente.

Figura 1: Vantagens de desempenho do carboneto de silício em comparação com o silício

O substrato de SiC tem uma intensidade de campo elétrico mais alta, portanto, uma estrutura de base mais fina pode ser usada e sua espessura pode ser apenas um décimo da camada epitaxial de silício. Além disso, a concentração de dopagem do SiC é 2 vezes maior que a do silício, de modo que a resistência superficial do dispositivo é reduzida e a perda de condução também é significativamente reduzida.O SiC foi reconhecido como uma tecnologia que pode substituir o silício de forma confiável. Muitos fabricantes de módulos de potência e inversores de potência planejaram usar a tecnologia SiC em seus futuros roteiros de produtos.Esta tecnologia de banda larga reduz significativamente a perda de comutação e a perda de condução sob cargas específicas, melhora o gerenciamento da dissipação de calor e fornece eficiência energética sem precedentes. No sistema eletrônico de potência, o projeto de dissipação de calor é muito importante, o que pode garantir alta densidade de energia e reduzir o tamanho do circuito. Nessas aplicações, o SiC é um material semicondutor ideal porque sua condutividade térmica é três vezes maior que a do semicondutor de silício.A tecnologia SiC é indicada para projetos de alta potência, como motores, drivers e inversores. Os fabricantes de drivers elétricos estão desenvolvendo novos circuitos de acionamento para atender à demanda do conversor por maior frequência de comutação e adotando uma topologia mais complexa e engenhosa para reduzir a interferência eletromagnética (EMI).Os dispositivos SiC requerem menos componentes externos, um layout de sistema mais confiável e custos de fabricação mais baixos. Com maior eficiência, menor tamanho total e menor peso, os requisitos de refrigeração do design inteligente são correspondentemente reduzidos.Aplicação de carboneto de silício

Carro elétrico/carro híbrido

Vários fabricantes de automóveis assumiram a liderança na introdução de veículos híbridos e elétricos no mercado, utilizando novos conceitos de energia. Esses veículos contêm novos dispositivos e sistemas, como conversores de frequência (até 300 kW) para alimentar motores, carregadores de bateria veicular de 3.6 kW a 22 kW, carregadores de indução de 3.6 kW a 22 kW (carregamento sem fio), conversores CC/CC de até 5 kW e inversores. para cargas auxiliares, como ar condicionado e sistemas de direção hidráulica.A bateria de alta tensão é um dos principais obstáculos ao desenvolvimento de veículos híbridos e elétricos. Usando o SiC, os fabricantes de automóveis podem reduzir o tamanho da bateria e o custo total dos veículos elétricos.Além disso, como o SiC tem bom desempenho de dissipação de calor, os fabricantes também podem reduzir o custo de resfriamento dos dispositivos do trem de força. Isso ajuda a reduzir o peso e o custo dos veículos elétricos.Veículo elétrico/veículo híbrido também é um dos principais mercados estratégicos de SiC da Anson Semiconductor. Na reunião de troca de mídia on-line de "Estratégia e esquema de carboneto de silício da Anson Semiconductor" realizada recentemente, Wang Limin, gerente de marketing de produto do departamento de esquema de fornecimento de energia da empresa, disse:O veículo elétrico é uma das principais forças motrizes do carboneto de silício, respondendo por cerca de 60% da capacidade total do mercado de carboneto de silício. Dispositivos de carboneto de silício usados na transmissão principal, OBC e DC-DC podem melhorar muito a eficiência, aumentando a resistência dos veículos elétricos. Com base nessas vantagens, atualmente, quase todos os fabricantes de inversores de acionamento principal utilizam o carboneto de silício como direção de acionamento principal.

Figura 2: O veículo elétrico é uma das principais forças motrizes do carboneto de silício.

O carregador veicular contém vários dispositivos de conversão de energia, como diodos e MOSFET. Seu objetivo é diminuir o volume dos circuitos eletrônicos de potência por meio de componentes passivos de pequeno porte, de forma a integrá-los todos.Este objetivo pode ser alcançado se os dispositivos semicondutores utilizados puderem ser controlados no mesmo circuito com alta frequência de comutação. No entanto, devido ao fraco desempenho de dissipação de calor do silício, a solução de alta frequência de comutação não é adequada. SiC MOSFET oferece uma solução ideal para tais aplicações.Atualmente, a maioria dos fabricantes de OBC e DC-DC usam dispositivos de carboneto de silício como dispositivos de energia de alta eficiência, alta tensão e alta frequência.Wang Limin, por exemplo,A Califórnia assinou uma ordem executiva para atingir a meta de 5 milhões de veículos elétricos nas estradas até 2030;A Europa também tem um calendário para todos os veículos eléctricos substituirem os veículos movidos a combustível;Nas principais cidades de primeiro nível da China, os veículos elétricos podem ser licenciados gratuitamente.Todas estas políticas promoveram o crescimento substancial dos veículos eléctricos, e a procura de veículos eléctricos por dispositivos de alta tensão, alta frequência e alta eficiência também promoveu o crescimento substancial do mercado de carboneto de silício.Fonte de alimentação 5G e fonte de alimentação comutadaO campo de fonte de alimentação 5G e fonte de alimentação chaveada (SMPS) é o segundo mercado estratégico de carboneto de silício para a Anson Semiconductor.O campo tradicional de fonte de alimentação chaveada é Boost e fonte de alimentação de alta tensão, que sempre teve altos requisitos de densidade de potência. Desde o primeiro padrão ouro e padrão prata de fonte de alimentação de comunicação até a atual fonte de alimentação de comunicação 5G e fonte de alimentação de data center em nuvem, todos eles têm altos requisitos de alta eficiência energética.“Dispositivos de carboneto de silício não possuem recuperação reversa, o que torna a fonte de alimentação eficiente em termos energéticos, que pode chegar a 98%. E as fontes de alimentação 5G são o mercado mais tradicional e relativamente grande de dispositivos de carboneto de silício atualmente. " Wang Limin disse.

Figura 3: O carboneto de silício pode ser usado na fonte de alimentação 5G e na fonte de alimentação chaveada.

Pilha de carregamento de veículos elétricosA pilha de carregamento de veículos elétricos também é um dos nossos mercados estratégicos para carboneto de silício. Existem muitos esquemas para carregar pilhas e agora os consumidores estão mais interessados no carregamento rápido DC.A pilha de carregamento com carregamento DC rápido precisa de uma potência de carregamento muito grande e de uma eficiência de carregamento muito alta, e tudo isso precisa ser realizado por alta tensão.Na aplicação de pilha de carregamento de veículos elétricos, seja o carboneto de silício em Boost ou diodo de saída, existem muitos esquemas de pilha de carregamento de MOSFET de carboneto de silício usando o interruptor principal, e suas perspectivas de aplicação são muito amplas.

Figura 4: A pilha de carregamento de veículos elétricos também é um campo de aplicação do carboneto de silício.

Inversor solar

Na área de inversores solares, o uso de diodo de carboneto de silício também é muito grande. A instalação de inversores solares continua aumentando a cada ano, e estima-se que 15% da energia (atualmente 1%) virá da energia solar nos próximos 10 a 15 anos. A energia solar é gratuita e inesgotável. Foram introduzidas políticas internas e os indivíduos podem vender energia solar à rede estatal."O semicondutor de carboneto de silício pode ser aplicado ao Boost do inversor solar. Com a otimização do custo do inversor solar, muitos fabricantes usarão o MOSFET de carboneto de silício como o principal dispositivo inversor para substituir o circuito complexo de controle original de três níveis (inversor). " Wang Limin disse: "Em termos de condução política, a UE tem uma meta 20-20-20, ou seja, até 2020, a eficiência energética aumentará em 20%, as emissões de dióxido de carbono serão reduzidas em 20% e as energias renováveis chegará a 20%. A NEA também estabeleceu uma meta de energia limpa para atender 20% da demanda energética da China até 2030. "

Figura 5: Aplicação de Carboneto de Silício em Inversor Solar

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A confiabilidade de longo prazo tornou-se o símbolo do SiC MOSFET. A próxima tarefa dos fabricantes de semicondutores é desenvolver módulos de potência multichip ou módulos híbridos, integrando transistores de silício tradicionais e diodos SiC no mesmo dispositivo físico. Com tensão de ruptura mais alta, esses módulos podem trabalhar em temperaturas mais altas. Eles também podem fornecer alta eficiência e, ao mesmo tempo, reduzir ainda mais o tamanho do equipamento.Do ponto de vista do preço de mercado atual, o MOSFET de SiC tem uma vantagem sistêmica sobre o IGBT de silício. Além disso, com a ampla adoção da fabricação de wafers de 150 mm, espera-se que o preço do MOSFET de SiC continue a cair.Alguns fabricantes começaram a produzir wafers de 200 mm (8 polegadas). Com o aumento do tamanho do wafer, o custo por molde diminuirá, mas o rendimento também poderá diminuir. Portanto, os fabricantes devem melhorar constantemente os seus processos.No entanto, devido ao alto custo de fabricação dos dispositivos de SiC e à falta de produção em massa, é difícil ser amplamente utilizado. A produção em massa de dispositivos SiC requer uma arquitetura e um processo de fabricação robustos e bem projetados. Por exemplo, em testes de wafer, os dispositivos testados devem ser menores em tamanho e funcionar em uma faixa de corrente e tensão mais alta.Uma vez resolvidos esses problemas, os projetistas OEM adotarão mais dispositivos SiC, aproveitarão ao máximo suas boas características elétricas, reduzirão bastante o custo do sistema e melhorarão a eficiência geral.

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