Introdução: O nitreto de gálio (GaN) e o carbeto de silício (SiC) possuem excelentes propriedades físicas para semicondutores de terceira geração, oferecendo grande potencial para aprimorar o desempenho de dispositivos eletrônicos de potência. Como o componente semicondutor mais básico do sistema de alimentação de energia, os dispositivos de potência de SiC têm melhorado significativamente a potência e a eficiência energética em uma ampla gama de aplicações militares e civis, como veículos elétricos, trens de alta velocidade, conexão à rede de energia solar e eólica, sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), ejeção eletromagnética e outros campos, tornando-se os novos queridinhos do mercado de novas energias.    
           

Bate-papo antes do início

A importância dos dispositivos de potência de terceira geração reside no aumento da potência, na melhoria da eficiência e na redução do tamanho, o que não pode ser ignorado. O país está gradualmente dando mais atenção ao setor de semicondutores, e o mercado de capitais também começa a se interessar. Especialmente no contexto da atual guerra comercial, todos estão ainda mais conscientes da importância da produção independente de dispositivos de potência. Assim como os equipamentos necessários em um jogo, os dispositivos de potência são um elemento essencial para a síntese de artefatos, independentemente do cenário. Atualmente, equipes nacionais no setor de dispositivos de potência de terceira geração estão surgindo e se mostrando extremamente ativas. Entre elas, a empresa Pinejie produz dispositivos de potência de carbeto de silício com excelente desempenho.  
Vamos falar formalmente sobre os aspectos do excelente desempenho do SiC.  
           

Perda de valor do dispositivo de energia

O indicador mais importante do desempenho de um dispositivo de potência é, sem dúvida, sua perda total, que consiste em duas partes. Uma delas éperda de condução(Perda de condução) Um éperdas de comutação(Perda de comutação). Em outras palavras, quanto menor a perda, maior a eficiência, resultando em tamanho menor, maior eficiência e peso mais leve, o que é mais adequado às necessidades das aplicações modernas. Por exemplo, uma das razões importantes pelas quais o Tesla Model 3 conseguiu reduzir o preço para cerca de 250,000 dólares foi o uso de uma solução de SiC, que melhorou o desempenho da bateria e reduziu o tamanho e o peso, diminuindo assim outros custos.

Para ajudar fornecedores de aplicações e investidores a entender como os dispositivos semicondutores de potência e seus principais parâmetros são comparados e avaliados no setor, faremos uma comparação horizontal entre eles e comentaremos brevemente as vantagens e desvantagens técnicas dos produtos MOSFET de SiC de cada empresa.  
           

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Na geração mais antiga de aplicações de eletrônica de potência, devido à baixa frequência de comutação, a perda por condução desempenha um papel dominante. Um dos pioneiros dessa indústria e acadêmico da Academia Nacional de Ciências.Professor Jayant B. Baliga(doravante denominado Bashen) Já em 1989, foi proposto um fator de qualidade para avaliar a perda por condução em dispositivos de potência.

(ver [i]), ε onde é a constante dielétrica do material semicondutor, μ é a mobilidade dos elétrons,E_Cé o campo elétrico de ruptura. De acordo com a fórmula de Bashen, se considerarmos o fator BFM do silício como 1 unidade, então o fator BFM do SiC é 231 unidades. Qual a importância disso? Isso demonstra que, ao fabricar dispositivos de potência com múltiplos subconjuntos (MOSFETs, diodos Schottky, etc.) sob a mesma alta tensão, a resistência de condução do SiC é 230 vezes menor! Isso significa que a perda por condução dos dispositivos de SiC é 230 vezes menor do que a dos dispositivos de silício sob a mesma corrente! O BFM normalizado do GaN em relação ao silício é 2097, e o do Ga₂O₃ é 6170! Resumindo em termos simples, Ba Shen previu isso já na década de 1980,O futuro dos semicondutores de potência deve ser dominado por semicondutores de banda proibida larga.!
 

 

Imagem i
 
 

Jayant B. Baliga   
Com o desenvolvimento da tecnologia de eletrônica de potência nos últimos 20 anos, descobriu-se que frequências de comutação mais altas podem reduzir o uso de componentes passivos, como capacitores e indutores, no circuito, diminuindo o volume e o peso do sistema. No entanto, à medida que a frequência do sistema aumenta, as perdas de comutação dos dispositivos de potência tornam-se cada vez mais significativas, e o custo e o volume do sistema de refrigeração necessário também aumentam proporcionalmente, resultando na impossibilidade de otimizar significativamente o sistema apenas com o aumento da frequência. Outro professor renomado,Alex Q. HuangEm 2004, foi proposto um fator de qualidade que avalia de forma abrangente a perda de condução e a perda de comutação do dispositivo.

(ver [ii]), onde R_ds,emé a resistência de condução do dispositivo, proporcional à perda por condução, Q._gdÉ a carga armazenada na capacitância de Miller entre o gate e o dreno do dispositivo e é proporcional à perda de comutação. Ao mesmo tempo, como R_ds,emInversamente proporcional à área do dispositivo, Q_gdProporcionalmente à área do dispositivo, o produto compensa o impacto da área (ou custo) do dispositivo, mostrando o nível geral de perda do dispositivo em operação de alta frequência. Em termos simples, quanto menor o fator de qualidade HDFM, melhor a qualidade geral do dispositivo.Quanto menor a perda, maior a eficiência. !
 
 

Alex Q. Huang  
Utilizando esse método, vamos comparar o desempenho dos produtos dos principais fornecedores de MOSFETs de SiC no mercado:
     

fábrica	Infineon	Lei italiana	Corey	Roma	Gaio-do-pinheiro	Uma marca nacional
Origin	Europa	Europa	USA	Japan	China	China
plataforma de tecnologia	trincheira de primeira geração	avião de segunda geração	avião de terceira geração	trincheira de terceira geração	avião de terceira geração	Não? Plano de geração
Rds, em (m?)	90	60	75	80	80	80
Qgd (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
HDFM normalizado	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*Os dados acima foram obtidos de uma ficha técnica disponível para download público na Internet.

Vamos começar tirando conclusões através desta tabela comparativa.Na tecnologia MOS planar, como marca nacional, os produtos da Pinejie Semiconductor já são líderes mundiais e estão muito próximos da tecnologia MOS de trincheira com processos complexos!Em circunstâncias ideais, para o mesmo cenário de aplicação, se o dispositivo CoolSiC mais recente da Infineon for usado como referência, e o consumo total de energia do dispositivo for de pelo menos 10 W, o consumo de energia do MOSFET SiC da Penjie é de 12.9 W, o consumo de energia dos produtos da Kerui é de 18.3 W, o consumo de energia da STMicroelectronics e da Rohm é próximo de 21 W e o consumo de energia de uma marca nacional é de 31 W.

Conclusão

Impulsionados pela eletrificação dos veículos de transporte, novas infraestruturas e outros projetos, os dispositivos de carboneto de silício (SiC) tornar-se-ão o foco do planejamento estratégico das principais usinas de energia. A Tesla coopera plenamente com a STMicroelectronics, e a Volkswagen conta com Corey McIntosh. As usinas de energia que conseguirem aproveitar a tecnologia de ponta e a capacidade de produção de dispositivos de potência de SiC obterão vantagens estratégicas incomparáveis.

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