Описывать

Электричество развивается в направлении материалов с широкой запрещенной зоной (WBG), таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Хотя кремний по-прежнему доминирует на рынке, устройства из SiC и GaN вскоре дадут начало новому поколению более эффективных технических решений.По данным Yole Dé, организации по исследованию рынка со штаб-квартирой во Франции; По оценкам Veloppement, к 2025 году выручка устройств SiC будет составлять более 10% от общего рынка силовой электроники, а выручка устройств GaN превысит 2%.В число известных поставщиков компонентов SiC входят компании stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor и Mitsubishi Electric.Компания Cree представила первые коммерческие силовые SiC-MOSFET на 900 В и SiC-MOSFET на 650 В Wolfspeed; Microchip и ROHM выпустили SiC MOSFET и диоды; Компания Feiling представила восемь устройств CoolSiC MOSFET на 650 В. . .. . Из этого видно, что все основные производители имеют свои собственные стратегии компоновки и разработки материалов SiC.В чем преимущество карбида кремния по производительности по сравнению с кремнием?Кремний уже давно является ключевым полупроводниковым материалом в большинстве электронных приложений, но по сравнению с SiC он неэффективен. В настоящее время SiC применяется во многих приложениях, особенно в электромобилях, для решения энергетических и финансовых задач, связанных с разработкой высокоэффективных и мощных устройств.SiC состоит из чистого кремния и углерода. По сравнению с кремнием SiC имеет три преимущества: более высокую критическую напряженность поля лавинного пробоя, более высокую теплопроводность и более широкую запрещенную зону.SiC имеет широкую запрещенную зону в 3 электронвольта (эВ) и может выдерживать градиент напряжения в 8 раз больший, чем у кремния, без лавинного пробоя. Чем шире запрещенная зона, тем меньше ток утечки при высокой температуре и тем выше эффективность. Чем больше теплопроводность, тем выше плотность тока.

Рисунок 1. Преимущества карбида кремния в производительности по сравнению с кремнием.

Подложка SiC имеет более высокую напряженность электрического поля, поэтому можно использовать более тонкую базовую структуру, а ее толщина может составлять всего одну десятую толщины эпитаксиального слоя кремния. Кроме того, концентрация легирования SiC в 2 раза выше, чем у кремния, поэтому поверхностное сопротивление устройства снижается, а также существенно уменьшаются потери проводимости.SiC признан технологией, способной надежно заменить кремний. Многие производители силовых модулей и силовых инверторов планируют использовать технологию SiC в своих будущих продуктах.Эта технология с широкой запрещенной зоной значительно снижает потери на переключение и потери проводимости при определенных нагрузках, улучшает управление рассеиванием тепла и обеспечивает беспрецедентную энергоэффективность. В силовой электронной системе очень важна конструкция рассеивания тепла, которая может обеспечить высокую плотность энергии и уменьшить размер схемы. В этих приложениях SiC является идеальным полупроводниковым материалом, поскольку его теплопроводность в три раза выше, чем у кремниевого полупроводника.Технология SiC подходит для проектов большой мощности, таких как двигатели, драйверы и инверторы. Производители электроприводов разрабатывают новые схемы управления, чтобы удовлетворить потребности преобразователей в более высокой частоте переключения, и применяют более сложную и изобретательную топологию для уменьшения электромагнитных помех (EMI).Устройства SiC требуют меньше внешних компонентов, более надежную компоновку системы и более низкие производственные затраты. Благодаря более высокой эффективности, меньшему габаритному размеру и меньшему весу требования к охлаждению при разумном проектировании соответственно снижаются.Применение карбида кремния

Электромобиль/гибридный автомобиль

Несколько производителей автомобилей взяли на себя инициативу по внедрению на рынок гибридных и электромобилей, используя новые концепции питания. Эти автомобили содержат новые устройства и системы, такие как преобразователи частоты (до 300 кВт) для питания двигателей, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов мощностью от 3.6 до 22 кВт, индукционные зарядные устройства от 3.6 до 22 кВт (беспроводная зарядка), преобразователи постоянного тока в постоянный ток мощностью до 5 кВт и инверторы. для вспомогательных нагрузок, таких как кондиционеры и системы рулевого управления с усилителем.Высоковольтная батарея является одним из главных препятствий на пути развития гибридных и электромобилей. Используя SiC, производители автомобилей могут уменьшить размер батареи и общую стоимость электромобилей.Кроме того, поскольку SiC обладает хорошими характеристиками рассеивания тепла, производители также могут снизить затраты на охлаждение устройств трансмиссии. Это помогает снизить вес и стоимость электромобилей.Электромобили/гибридные автомобили также являются одним из стратегических ключевых рынков SiC для Anson Semiconductor. На состоявшейся недавно онлайн-встрече по обмену СМИ «Стратегия и схема Anson Semiconductor в области карбида кремния» Ван Лиминь, менеджер по маркетингу продукции отдела схемы электропитания компании, сказал:Электромобили являются одной из основных движущих сил карбида кремния, на их долю приходится около 60% общей емкости рынка карбида кремния. Устройства из карбида кремния, используемые в главном приводе, OBC и DC-DC, могут значительно повысить эффективность, а значит, увеличить срок службы электромобилей. Основываясь на этих преимуществах, в настоящее время почти все производители инверторов главного привода используют карбид кремния в качестве основного направления привода.

Рисунок 2. Электромобиль является одной из основных движущих сил карбида кремния.

Автомобильное зарядное устройство содержит различные устройства преобразования энергии, такие как диоды и MOSFET. Его цель — уменьшить объем силовых электронных схем за счет использования малогабаритных пассивных компонентов и объединить их все вместе.Эта цель может быть достигнута, если используемые полупроводниковые приборы смогут управляться в одной схеме с высокой частотой переключения. Однако из-за плохой теплоотдачи кремния решение с высокой частотой переключения не подходит. SiC MOSFET представляет собой идеальное решение для таких приложений.В настоящее время большинство производителей OBC и DC-DC используют устройства из карбида кремния в качестве высокоэффективных, высоковольтных и высокочастотных силовых устройств.Ван Лимин, например,Калифорния подписала указ о достижении цели: к 5 году на дорогах будет 2030 миллионов электромобилей;В Европе также есть график замены всех электромобилей топливом;В крупных городах Китая первого уровня электромобили можно лицензировать бесплатно.Вся эта политика способствовала существенному росту электромобилей, а спрос на электромобили в высоковольтных, высокочастотных и высокоэффективных устройствах также способствовал существенному росту рынка карбида кремния.Источник питания 5G и импульсный источник питанияСфера источников питания 5G и импульсных источников питания (SMPS) является вторым стратегическим рынком карбида кремния для Anson Semiconductor.Традиционной областью импульсных источников питания являются повышающие и высоковольтные источники питания, к которым всегда предъявлялись высокие требования к плотности мощности. Начиная с самого раннего золотого и серебряного стандарта источников питания для связи и заканчивая текущими источниками питания для связи 5G и источниками питания для облачных центров обработки данных, все они предъявляют высокие требования к высокой энергоэффективности.«Устройства из карбида кремния не имеют обратного восстановления, что делает блок питания энергоэффективным, который может достигать 98%. А источники питания 5G в настоящее время являются наиболее традиционным и относительно крупным рынком устройств из карбида кремния. " Сказал Ван Лиминь.

Рисунок 3. Карбид кремния можно использовать в источниках питания 5G и импульсных источниках питания.

Куча зарядки электромобиляЗарядная станция для электромобилей также является одним из наших стратегических рынков сбыта карбида кремния. Существует множество схем зарядки свай, и сейчас потребителей больше всего интересует быстрая зарядка постоянным током.Зарядная установка с быстрой зарядкой постоянным током требует очень большой зарядной мощности и очень высокой эффективности зарядки, и все это должно быть реализовано за счет высокого напряжения.При применении зарядной батареи электромобиля, независимо от того, находится ли карбид кремния в повышающем или выходном диоде, существует множество схем зарядки карбидокремниевых полевых МОП-транзисторов с использованием главного переключателя, и перспективы их применения очень широки.

Рисунок 4. Зарядная станция для электромобилей также является областью применения карбида кремния.

Солнечный инвертор

В области солнечных инверторов также очень широко используется диод из карбида кремния. Количество солнечных инверторов увеличивается с каждым годом, и, по оценкам, в ближайшие 15–1 лет 10% энергии (в настоящее время 15%) будет поступать из солнечной энергии. Солнечная энергия бесплатна и неисчерпаема. Была введена внутренняя политика, и частные лица могут продавать солнечную энергию в государственную сеть.«Полупроводник из карбида кремния можно применять для усиления солнечного инвертора. Благодаря оптимизации стоимости солнечного инвертора многие производители будут использовать полевой МОП-транзистор из карбида кремния в качестве основного инверторного устройства для замены исходной трехуровневой (инверторной) комплексной схемы управления. " Ван Лиминь сказал: «Что касается политики, у ЕС есть цель 20-20-20, то есть к 2020 году энергоэффективность будет увеличена на 20%, выбросы углекислого газа сократятся на 20%, а возобновляемые источники энергии достигнет 20%. NEA также поставило цель по обеспечению чистой энергией 20% потребности Китая в энергии к 2030 году».

Рисунок 5. Применение карбида кремния в солнечном инверторе.

день

Долговременная надежность стала символом SiC MOSFET. Следующей задачей производителей полупроводников является разработка многокристальных силовых модулей или гибридных модулей, объединяющих традиционные кремниевые транзисторы и SiC-диоды в одном физическом устройстве. Благодаря более высокому напряжению пробоя эти модули могут работать при более высоких температурах. Они также могут обеспечить высокую эффективность при дальнейшем уменьшении размера оборудования.С точки зрения текущей рыночной цены, SiC MOSFET имеет системное преимущество перед кремниевыми IGBT. Более того, с широким распространением производства пластин диаметром 150 мм ожидается, что цена SiC MOSFET продолжит снижаться.Некоторые производители начали производить пластины диаметром 200 мм (8 дюймов). С увеличением размера пластины стоимость одного кристалла будет снижаться, но и производительность может снизиться. Поэтому производители должны постоянно совершенствовать свои процессы.Однако из-за высокой стоимости производства устройств SiC и отсутствия массового производства их широкое использование затруднено. Массовое производство устройств SiC требует хорошо продуманной надежной архитектуры и производственного процесса. Например, при тестировании пластин тестируемые устройства должны быть меньше по размеру и работать в более высоком диапазоне токов и напряжений.Как только эти проблемы будут решены, OEM-разработчики будут использовать больше устройств SiC, в полной мере использовать их хорошие электрические характеристики, значительно снизить стоимость системы и повысить общую эффективность.

Отказ от ответственности: Эта статья воспроизведена из журнала «Любители электроники». Эта статья отражает только личную точку зрения автора и не отражает точку зрения Sacco Micro и отрасли. Он предназначен только для перепечатки и распространения в целях защиты прав интеллектуальной собственности. При перепечатке просьба указывать первоисточник и автора. Если есть какие-либо нарушения, пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы удалить их.

Тел. компании: +86-0755-83044319
Факс/факс:+86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Менеджер Цю
Адрес: комната 809, блок C, здание Zhantao Technology Building, проспект Минчжи № 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.