บทนำ: แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) มีคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุที่ยอดเยี่ยมสำหรับเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ซึ่งเปิดโอกาสให้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังได้มากขึ้น ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์พื้นฐานที่สุดของระบบจ่ายไฟ อุปกรณ์กำลัง SiC ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพด้านพลังงานและกำลังไฟฟ้าอย่างมากในหลากหลายสถานการณ์การใช้งานทั้งในทางทหารและพลเรือน เช่น รถยนต์ไฟฟ้า รถไฟความเร็วสูง การเชื่อมต่อกับโครงข่ายพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม ระบบจ่ายไฟสำรอง (UPS) การป้องกันด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และอื่นๆ และได้กลายเป็นที่นิยมอย่างมากในตลาดพลังงานใหม่    
           

พูดคุยกันก่อนเริ่ม

ความสำคัญของอุปกรณ์กำลังไฟฟ้ารุ่นที่สามคือการเพิ่มกำลังไฟฟ้า เพิ่มประสิทธิภาพ และลดขนาด ซึ่งเป็นสิ่งที่มองข้ามไม่ได้ ประเทศกำลังให้ความสนใจในด้านเซมิคอนดักเตอร์มากขึ้นเรื่อยๆ และตลาดทุนก็เริ่มให้ความสนใจเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสงครามการค้าที่กำลังดำเนินอยู่ ทุกคนยิ่งตระหนักถึงความสำคัญของการผลิตอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าด้วยตนเองมากขึ้น เหมือนกับอุปกรณ์ที่จำเป็นในเกม เพื่อสร้างสิ่งประดิษฐ์ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าจึงเป็นหัวข้อที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ไม่ว่าอย่างไรก็ตาม ปัจจุบัน ทีมงานในประเทศในภาคส่วนอุปกรณ์กำลังไฟฟ้ารุ่นที่สามก็เกิดขึ้นมากมายและมีความคึกคักเป็นอย่างยิ่ง หนึ่งในนั้นคือ บริษัท Pinejie ซึ่งได้ผลิตอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยม  
เรามาพูดคุยกันอย่างเป็นทางการเกี่ยวกับแง่มุมต่างๆ ที่ทำให้ SiC มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมกันเถอะ  
           

ค่าความสูญเสียของอุปกรณ์ไฟฟ้า

ตัวบ่งชี้ที่สำคัญที่สุดของประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไฟฟ้าก็คือ การสูญเสียโดยรวม ซึ่งประกอบด้วยสองส่วน ส่วนแรกคือการสูญเสียการนำ(การสูญเสียการนำไฟฟ้า) ข้อหนึ่งคือการสูญเสียการสลับ(การสูญเสียจากการสวิตช์) กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ยิ่งการสูญเสียต่ำ ประสิทธิภาพยิ่งสูง ส่งผลให้ขนาดเล็ลง ประสิทธิภาพสูงขึ้น และน้ำหนักเบาลง ซึ่งเหมาะสมกับความต้องการใช้งานในปัจจุบันมากขึ้น ตัวอย่างเช่น หนึ่งในเหตุผลสำคัญที่ทำให้ Tesla Model 3 สามารถลดราคาลงเหลือประมาณ 250,000 เหรียญได้ก็คือ การใช้โซลูชัน SiC ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ลดขนาดและน้ำหนัก จึงช่วยลดต้นทุนอื่นๆ ลงได้

เพื่อช่วยให้ผู้จำหน่ายแอปพลิเคชันและผู้ลงทุนเข้าใจวิธีการเปรียบเทียบและประเมินอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังและพารามิเตอร์หลักของอุปกรณ์เหล่านั้นในอุตสาหกรรม เราจะเปรียบเทียบแต่ละอุปกรณ์ในแนวนอนและแสดงความคิดเห็นโดยสังเขปเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสียทางเทคนิคของผลิตภัณฑ์อุปกรณ์ SiC MOSFET ของแต่ละบริษัทในหัวข้อถัดไป  
           

                           派恩杰参数领先

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังรุ่นเก่า การสูญเสียจากการนำไฟฟ้าจึงมีบทบาทสำคัญเนื่องจากความถี่ในการสวิตช์ต่ำ ผู้ริเริ่มอุตสาหกรรมนี้และนักวิชาการจากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติศาสตราจารย์ จายันต์ บี. บาลิกา(ต่อไปนี้จะเรียกว่า Bashen) ย้อนกลับไปในปี 1989 ได้มีการเสนอค่าตัวประกอบคุณภาพเพื่อประเมินการสูญเสียการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้า

(ดู [i]) ε โดยที่ ε คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ และ μ คือความคล่องตัวของอิเล็กตรอนE_Cคือสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัว ตามสูตรของ Ba Shen ถ้าเราใช้ค่า BFM ของวัสดุซิลิคอนเป็น 1 หน่วย ค่า BFM ของวัสดุ SiC จะเท่ากับ 231 หน่วย ประเด็นคืออะไร? นี่แสดงให้เห็นว่าเมื่อสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายตัวย่อย (MOSFET, ไดโอด Schottky ฯลฯ) ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าสูงเท่ากัน ความต้านทานขณะเปิดของวัสดุ SiC จะน้อยกว่าถึง 230 เท่า! นั่นหมายความว่าการสูญเสียพลังงานจากการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ SiC จะน้อยกว่าอุปกรณ์ซิลิคอนถึง 230 เท่า ภายใต้กระแสไฟฟ้าเดียวกัน! ค่า BFM ที่ปรับให้เป็นมาตรฐานของ GaN เทียบกับซิลิคอนคือ 2097 และของ Ga2O3 คือ 6170! สรุปง่ายๆ ก็คือ Ba Shen ได้ทำนายไว้ตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 แล้วอนาคตของเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงจะต้องถูกครอบงำด้วยเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแถบพลังงานกว้าง!
 

 

รูปภาพ i
 
 

ชยันต์ บี. บาลิก้า   
ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์กำลังในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา นักวิจัยพบว่าความถี่ในการสวิตช์ที่สูงขึ้นสามารถลดการใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟ เช่น ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในวงจร และลดปริมาตรและน้ำหนักของระบบได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่ของระบบเพิ่มขึ้น การสูญเสียจากการสวิตช์ของอุปกรณ์กำลังก็จะยิ่งมากขึ้น และต้นทุนและปริมาตรของระบบระบายความร้อนที่จำเป็นก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ส่งผลให้ระบบไม่สามารถได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยการเพิ่มความถี่ต่อไปอีก ศาสตราจารย์ชื่อดังอีกท่านหนึ่งกล่าวว่า...อเล็กซ์ คิว. ฮวงในปี 2004 ได้เสนอค่าสัมประสิทธิ์คุณภาพที่ประเมินการสูญเสียการนำไฟฟ้าและการสูญเสียการสวิตช์ของอุปกรณ์อย่างครอบคลุม

(ดู [ii]) โดยที่ R_{ds บน}คือค่าความต้านทานขณะเปิดของอุปกรณ์ ซึ่งเป็นสัดส่วนกับค่าการสูญเสียการนำไฟฟ้า Q_gdมันคือประจุที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุแบบมิลเลอร์ระหว่างเกตกับเดรนของอุปกรณ์ และเป็นสัดส่วนกับการสูญเสียในการสวิตช์ ในขณะเดียวกัน เนื่องจาก R_{ds บน}Q แปรผกผันกับพื้นที่ของอุปกรณ์_gdค่าตัวประกอบคุณภาพ HDFM จะเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ของอุปกรณ์ โดยจะช่วยชดเชยผลกระทบของพื้นที่ (หรือต้นทุน) ของอุปกรณ์ แสดงให้เห็นถึงระดับการสูญเสียโดยรวมของอุปกรณ์ภายใต้การทำงานที่ความถี่สูง กล่าวโดยง่ายคือ ยิ่งค่าตัวประกอบคุณภาพ HDFM น้อยเท่าไร คุณภาพโดยรวมของอุปกรณ์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้นยิ่งการสูญเสียน้อยเท่าไร ประสิทธิภาพก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น !
 
 

อเล็กซ์ คิว. ฮวง  
เมื่อใช้วิธีนี้ เราจะเปรียบเทียบประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์จากผู้ผลิต SiC MOSFET รายใหญ่ในตลาดได้:
     

โรงงาน	Infineon	กฎหมายอิตาลี	คอเรย์	Roma	ไพน์เจย์	แบรนด์ในประเทศ
ต้นทาง	ยุโรป	ยุโรป	สหรัฐอเมริกา	ญี่ปุ่น	สาธารณรัฐประชาชนจีน	สาธารณรัฐประชาชนจีน
แพลตฟอร์มเทคโนโลยี	คูเมืองรุ่นแรก	เครื่องบินรุ่นที่สอง	เครื่องบินรุ่นที่สาม	คูเมืองรุ่นที่สาม	เครื่องบินรุ่นที่สาม	เครื่องบินรุ่น No.?
Rds,on (m?)	90	60	75	80	80	80
คิวจี (nC)	5	35	20	25	9.3	54
	21.2	45.8	38.7	44.7	27.3	65.7
HDFM ที่เป็นมาตรฐาน	1	2.16	1.83	2.11	1.29	3.10
*ข้อมูลข้างต้นมาจากเอกสารข้อมูลที่สามารถดาวน์โหลดได้จากอินเทอร์เน็ต

เรามาสรุปผลจากตารางเปรียบเทียบนี้กันก่อนในเทคโนโลยี MOS แบบระนาบ ผลิตภัณฑ์ของ Pinejie Semiconductor ซึ่งเป็นแบรนด์ในประเทศ ถือเป็นผู้นำระดับโลกอยู่แล้ว และใกล้เคียงกับเทคโนโลยี MOS แบบร่องลึกที่มีกระบวนการซับซ้อนมาก!ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมที่สุด สำหรับสถานการณ์การใช้งานเดียวกัน หากใช้ชิป CoolSiC รุ่นล่าสุดของ Infineon เป็นเกณฑ์มาตรฐาน และกำลังไฟโดยรวมของอุปกรณ์อยู่ที่อย่างน้อย 10W กำลังไฟของ SiC MOSFET ของ Penjie จะอยู่ที่ 12.9W กำลังไฟของผลิตภัณฑ์ Kerui จะอยู่ที่ 18.3W กำลังไฟของ STMicroelectronics และ Rohm จะอยู่ที่ประมาณ 21W และกำลังไฟของแบรนด์ในประเทศจะอยู่ที่ 31W

สรุป

ด้วยแรงผลักดันจากการใช้พลังงานไฟฟ้าในยานพาหนะ โครงสร้างพื้นฐานใหม่ และโครงการอื่นๆ อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์จะกลายเป็นจุดสนใจในแผนกลยุทธ์ของโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ เทสลาให้ความร่วมมืออย่างเต็มที่กับ STMicroelectronics และโฟล์คสวาเกนก็ร่วมมือกับ Corey... โรงไฟฟ้าที่สามารถคว้าเทคโนโลยีและกำลังการผลิตล่าสุดของอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC จะได้รับความได้เปรียบเชิงกลยุทธ์อย่างหาที่เปรียบไม่ได้

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้คัดลอกมาจากหนังสือ "Three and a Half Generations of Alchemists" ซึ่งสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิ์ในทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับเมื่อนำไปเผยแพร่ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

หมายเลขโทรศัพท์ของบริษัท: +86-0755-83044319
โทรสาร: +86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่

QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว

ที่อยู่: ห้อง 809 อาคาร C อาคารเทคโนโลยีจ้านเทา เลขที่ 1079 ถนนหมินจือ เขตหลงหัวใหม่ เมืองเซินเจิ้น