บรรยาย

ไฟฟ้ากำลังพัฒนาไปสู่วัสดุแถบความถี่กว้าง (WBG) เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) แม้ว่าซิลิคอนจะยังคงครองตลาด แต่อุปกรณ์ SiC และ GaN จะให้กำเนิดโซลูชันทางเทคนิคที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นรุ่นใหม่ในเร็วๆ นี้ตามข้อมูลของ Yole Dé ซึ่งเป็นองค์กรวิจัยตลาดที่มีสำนักงานใหญ่ในฝรั่งเศส Veloppement ประมาณการว่าภายในปี 2025 รายได้ของอุปกรณ์ SiC จะคิดเป็นมากกว่า 10% ของตลาดอิเล็กทรอนิกส์กำลังโดยรวม และรายได้จากอุปกรณ์ GaN จะเกิน 2%ซัพพลายเออร์ที่มีชื่อเสียงของส่วนประกอบ SiC ได้แก่ stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor และ Mitsubishi ElectricCree เปิดตัวกลุ่มผลิตภัณฑ์ MOSFET กำลัง SiC 900V เชิงพาณิชย์และ Wolfspeed 650V SiC MOSFET เชิงพาณิชย์ตัวแรก Microchip และ ROHM ได้เปิดตัว SiC MOSFET และไดโอดแล้ว Feiling ได้เปิดตัวอุปกรณ์ CoolSiC MOSFET 650V แปดตัว . .. . จากนี้จะเห็นได้ว่าผู้ผลิตรายใหญ่ทุกรายมีรูปแบบและกลยุทธ์การพัฒนาวัสดุ SiC ของตนเองข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของซิลิคอนคาร์ไบด์เหนือซิลิคอนคืออะไร?ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลักในการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่มานานแล้ว แต่เมื่อเปรียบเทียบกับ SiC แล้ว กลับพบว่าไม่มีประสิทธิภาพ ในปัจจุบัน SiC ได้ถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย โดยเฉพาะรถยนต์ไฟฟ้า เพื่อตอบสนองความท้าทายด้านพลังงานและต้นทุนในการพัฒนาอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงและกำลังสูงSiC ประกอบด้วยซิลิคอนและคาร์บอนบริสุทธิ์ เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน SiC มีข้อดีสามประการ: ความแรงของสนามข้อมูลการพังทลายของหิมะถล่มที่สำคัญที่สูงขึ้น ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้น และช่องว่างของแถบความถี่ที่กว้างขึ้นSiC มีช่องว่างแถบกว้างที่ 3 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) และสามารถทนต่อการไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ใหญ่กว่าซิลิคอนถึง 8 เท่า โดยไม่มีการพังทลายของหิมะถล่ม ยิ่งช่องว่างของแถบความถี่กว้างขึ้น กระแสไฟฟ้ารั่วที่อุณหภูมิสูงก็จะยิ่งน้อยลงและประสิทธิภาพก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย ยิ่งการนำความร้อนมากเท่าใด ความหนาแน่นกระแสก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

รูปที่ 1: ข้อดีด้านประสิทธิภาพของซิลิคอนคาร์ไบด์เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน

สารตั้งต้น SiC มีความแรงของสนามไฟฟ้าสูงกว่า ดังนั้นจึงสามารถใช้โครงสร้างฐานที่บางกว่าได้ และความหนาอาจเป็นเพียงหนึ่งในสิบของชั้นซิลิกอนเอพิเทเชียล นอกจากนี้ ความเข้มข้นของสารต้องห้ามของ SiC ยังสูงกว่าซิลิคอนถึง 2 เท่า ดังนั้นความต้านทานพื้นผิวของอุปกรณ์จึงลดลง และการสูญเสียการนำไฟฟ้าก็ลดลงอย่างมากเช่นกันSiC ได้รับการยอมรับว่าเป็นเทคโนโลยีที่สามารถทดแทนซิลิคอนได้อย่างน่าเชื่อถือ ผู้ผลิตโมดูลกำลังและอินเวอร์เตอร์กำลังหลายรายวางแผนที่จะใช้เทคโนโลยี SiC ในแผนงานผลิตภัณฑ์ในอนาคตเทคโนโลยีช่องว่างย่านความถี่กว้างนี้ช่วยลดการสูญเสียการสลับและการสูญเสียการนำไฟฟ้าภายใต้โหลดเฉพาะได้อย่างมาก ปรับปรุงการจัดการการกระจายความร้อน และให้ประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การออกแบบการกระจายความร้อนมีความสำคัญมาก ซึ่งสามารถรับประกันความหนาแน่นของพลังงานสูงและลดขนาดวงจร ในการใช้งานเหล่านี้ SiC เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติเนื่องจากมีการนำความร้อนสูงกว่าเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนถึงสามเท่าเทคโนโลยี SiC เหมาะสำหรับโครงการที่มีกำลังสูง เช่น มอเตอร์ ไดรเวอร์ และอินเวอร์เตอร์ ผู้ผลิตไดรเวอร์ไฟฟ้ากำลังพัฒนาวงจรขับเคลื่อนใหม่เพื่อตอบสนองความต้องการของคอนเวอร์เตอร์สำหรับความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น และนำโทโพโลยีที่ซับซ้อนและชาญฉลาดมากขึ้นมาใช้เพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)อุปกรณ์ SiC ต้องการส่วนประกอบภายนอกน้อยลง เค้าโครงระบบที่เชื่อถือได้มากขึ้น และต้นทุนการผลิตที่ลดลง ด้วยประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ขนาดโดยรวมที่เล็กลง และน้ำหนักที่เบาลง ความต้องการในการระบายความร้อนของการออกแบบอัจฉริยะจึงลดลงตามไปด้วยการใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์

รถยนต์ไฟฟ้า/รถยนต์ไฮบริด

ผู้ผลิตรถยนต์หลายรายเป็นผู้นำในการแนะนำรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้าในตลาดโดยใช้แนวคิดด้านพลังงานใหม่ ยานพาหนะเหล่านี้มีอุปกรณ์และระบบใหม่ เช่น ตัวแปลงความถี่ (สูงถึง 300kW) สำหรับการจ่ายไฟให้กับเครื่องยนต์, เครื่องชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ขนาด 3.6kW ถึง 22kW, เครื่องชาร์จแบบเหนี่ยวนำ 3.6 kW ถึง 22kW (การชาร์จแบบไร้สาย), ตัวแปลง DC/DC สูงถึง 5kW และอินเวอร์เตอร์ สำหรับโหลดเสริม เช่น เครื่องปรับอากาศ และระบบพวงมาลัยเพาเวอร์แบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูงถือเป็นอุปสรรคสำคัญประการหนึ่งในการพัฒนารถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า การใช้ SiC ผู้ผลิตรถยนต์สามารถลดขนาดแบตเตอรี่และต้นทุนรวมของยานพาหนะไฟฟ้าได้นอกจากนี้ เนื่องจาก SiC มีประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดี ผู้ผลิตจึงสามารถลดต้นทุนของอุปกรณ์ระบบส่งกำลังทำความเย็นได้ ซึ่งช่วยลดน้ำหนักและต้นทุนของยานพาหนะไฟฟ้ารถยนต์ไฟฟ้า/รถยนต์ไฮบริดยังเป็นหนึ่งในตลาดสำคัญเชิงกลยุทธ์ SiC ของ Anson Semiconductor ในการประชุมแลกเปลี่ยนสื่อออนไลน์ของ "Anson Semiconductor Silicon Carbide Strategy and Scheme" ที่จัดขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ Wang Limin ผู้จัดการฝ่ายการตลาดผลิตภัณฑ์ของแผนกโครงการจ่ายไฟของบริษัทกล่าวว่ารถยนต์ไฟฟ้าเป็นหนึ่งในแรงผลักดันหลักของซิลิกอนคาร์ไบด์ ซึ่งคิดเป็นประมาณ 60% ของกำลังการผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ทั้งหมดในตลาด อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ใช้ในไดรฟ์หลัก OBC และ DC-DC สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างมาก ดังนั้นจึงสามารถเพิ่มความทนทานของยานพาหนะไฟฟ้าได้ จากข้อดีเหล่านี้ ปัจจุบันผู้ผลิตอินเวอร์เตอร์ไดรฟ์หลักเกือบทั้งหมดใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นทิศทางการขับเคลื่อนหลัก

รูปที่ 2: รถยนต์ไฟฟ้าเป็นหนึ่งในแรงผลักดันหลักของซิลิคอนคาร์ไบด์

ที่ชาร์จในรถยนต์ประกอบด้วยอุปกรณ์แปลงพลังงานหลายชนิด เช่น ไดโอดและ MOSFET เป้าหมายคือทำให้ปริมาตรของวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลังมีขนาดเล็กลงโดยใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟขนาดเล็กเพื่อรวมเข้าด้วยกันเป้าหมายนี้สามารถบรรลุเป้าหมายได้หากสามารถควบคุมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ได้ในวงจรเดียวกันที่มีความถี่สวิตชิ่งสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากซิลิกอนมีประสิทธิภาพการกระจายความร้อนต่ำ โซลูชันความถี่สวิตชิ่งสูงจึงไม่เหมาะ SiC MOSFET มอบโซลูชั่นที่ดีเยี่ยมสำหรับการใช้งานดังกล่าวปัจจุบันผู้ผลิต OBC และ DC-DC ส่วนใหญ่ใช้อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง ไฟฟ้าแรงสูง และความถี่สูงหวัง ลิมมิน เป็นต้นแคลิฟอร์เนียได้ลงนามคำสั่งผู้บริหารเพื่อให้บรรลุเป้าหมายการมีรถยนต์ไฟฟ้า 5 ล้านคันบนท้องถนนภายในปี 2030ยุโรปยังมีตารางเวลาสำหรับยานพาหนะไฟฟ้าทั้งหมดเพื่อทดแทนรถยนต์เชื้อเพลิงในเมืองชั้น 1 ที่สำคัญๆ ของจีน สามารถขอใบอนุญาตรถยนต์ไฟฟ้าได้ฟรีนโยบายทั้งหมดนี้ได้ส่งเสริมการเติบโตอย่างมากของยานพาหนะไฟฟ้า และความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง ความถี่สูง และประสิทธิภาพสูง ยังส่งเสริมการเติบโตอย่างมากของตลาดซิลิคอนคาร์ไบด์แหล่งจ่ายไฟ 5G และแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งสาขาแหล่งจ่ายไฟและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (SMPS) ของ 5G เป็นตลาดเชิงกลยุทธ์อันดับสองของซิลิคอนคาร์ไบด์สำหรับ Anson Semiconductorฟิลด์แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งแบบดั้งเดิมคือ Boost และแหล่งจ่ายไฟแรงดันสูง ซึ่งมีความต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูงอยู่เสมอ ตั้งแต่มาตรฐานทองคำและมาตรฐานเงินที่เก่าแก่ที่สุดของแหล่งจ่ายไฟสื่อสาร ไปจนถึงแหล่งจ่ายไฟสื่อสาร 5G และแหล่งจ่ายไฟของศูนย์ข้อมูลบนคลาวด์ในปัจจุบัน ทั้งหมดนี้ล้วนมีข้อกำหนดสูงสำหรับประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง"อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ไม่มีการกู้คืนแบบย้อนกลับ ซึ่งทำให้พลังงานของแหล่งจ่ายไฟมีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถสูงถึง 98% และแหล่งจ่ายไฟ 5G ถือเป็นตลาดอุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์แบบดั้งเดิมและมีขนาดค่อนข้างใหญ่ที่สุดในปัจจุบัน - วัง Limin กล่าว

รูปที่ 3: ซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถใช้กับแหล่งจ่ายไฟ 5G และแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งได้

กองชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าเสาเข็มชาร์จรถยนต์ไฟฟ้ายังเป็นหนึ่งในตลาดเชิงกลยุทธ์ของเราสำหรับซิลิคอนคาร์ไบด์ มีหลายรูปแบบในการชาร์จเสาเข็ม และตอนนี้ผู้บริโภคสนใจการชาร์จแบบเร็ว DC มากที่สุดกองชาร์จที่มีการชาร์จ DC เร็วต้องใช้กำลังชาร์จขนาดใหญ่มากและประสิทธิภาพการชาร์จที่สูงมาก ซึ่งทั้งหมดนี้จำเป็นต้องใช้ไฟฟ้าแรงสูงในการประยุกต์ใช้เสาเข็มชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า ไม่ว่าซิลิคอนคาร์ไบด์จะอยู่ในบูสต์หรือไดโอดเอาท์พุตก็ตาม มีรูปแบบเสาเข็มชาร์จจำนวนมากของซิลิคอนคาร์ไบด์ MOSFET โดยใช้สวิตช์หลัก และโอกาสในการใช้งานนั้นกว้างมาก

รูปที่ 4: เสาเข็มชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าเป็นสาขาการใช้งานของซิลิคอนคาร์ไบด์

อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์

ในด้านอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ การใช้ไดโอดซิลิคอนคาร์ไบด์ก็มีขนาดใหญ่เช่นกัน การติดตั้งเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เพิ่มขึ้นทุกปี และคาดว่า 15% ของพลังงาน (ปัจจุบัน 1%) จะมาจากพลังงานแสงอาทิตย์ในอีก 10-15 ปีข้างหน้า พลังงานแสงอาทิตย์นั้นฟรีและไม่สิ้นสุด มีการนำนโยบายภายในประเทศมาใช้ และบุคคลทั่วไปสามารถขายพลังงานแสงอาทิตย์ให้กับโครงข่ายของรัฐได้"สามารถใช้เซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์กับ Boost ของอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ได้ ด้วยการปรับต้นทุนอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ให้เหมาะสม ผู้ผลิตหลายรายจะใช้ MOSFET ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นอุปกรณ์อินเวอร์เตอร์หลักเพื่อแทนที่วงจรควบคุมที่ซับซ้อนสามระดับ (อินเวอร์เตอร์) ดั้งเดิม - Wang Limin กล่าวว่า "ในแง่ของการขับเคลื่อนนโยบาย สหภาพยุโรปมีเป้าหมาย 20-20-20 กล่าวคือ ภายในปี 2020 ประสิทธิภาพการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้น 20% การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะลดลง 20% และพลังงานหมุนเวียน จะถึง 20% NEA ยังได้ตั้งเป้าหมายพลังงานสะอาดเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานของจีนให้ได้ 20% ภายในปี 2030”

รูปที่ 5: การใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ในอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์

แท็ก

ความน่าเชื่อถือในระยะยาวกลายเป็นสัญลักษณ์ของ SiC MOSFET ภารกิจต่อไปของผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์คือการพัฒนาโมดูลพลังงานแบบหลายชิปหรือโมดูลไฮบริด โดยบูรณาการทรานซิสเตอร์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมและไดโอด SiC ไว้บนอุปกรณ์ทางกายภาพเดียวกัน ด้วยแรงดันพังทลายที่สูงขึ้น โมดูลเหล่านี้จึงสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นได้ นอกจากนี้ยังสามารถให้ประสิทธิภาพสูงในขณะที่ลดขนาดอุปกรณ์อีกด้วยจากมุมมองราคาตลาดปัจจุบัน SiC MOSFET มีข้อได้เปรียบในระดับระบบเหนือซิลิคอน IGBT ยิ่งไปกว่านั้น ด้วยการใช้งานเวเฟอร์ขนาด 150 มม. อย่างแพร่หลาย คาดว่าราคาของ SiC MOSFET จะลดลงอย่างต่อเนื่องผู้ผลิตบางรายเริ่มผลิตเวเฟอร์ขนาด 200 มม. (8 นิ้ว) เมื่อขนาดเวเฟอร์เพิ่มขึ้น ต้นทุนต่อแม่พิมพ์จะลดลง แต่ผลผลิตก็อาจลดลงเช่นกัน ดังนั้นผู้ผลิตจึงต้องปรับปรุงกระบวนการของตนอย่างต่อเนื่องอย่างไรก็ตาม เนื่องจากอุปกรณ์ SiC มีต้นทุนการผลิตที่สูงและไม่มีการผลิตเป็นจำนวนมาก จึงเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้อย่างแพร่หลาย การผลิตอุปกรณ์ SiC ในจำนวนมากต้องใช้สถาปัตยกรรมและกระบวนการผลิตที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี ตัวอย่างเช่น ในการทดสอบเวเฟอร์ อุปกรณ์ที่ทดสอบจะต้องมีขนาดเล็กลงและทำงานในช่วงกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นเมื่อปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไขแล้ว นักออกแบบ OEM จะนำอุปกรณ์ SiC มาใช้มากขึ้น ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีอย่างเต็มที่ ลดต้นทุนของระบบได้อย่างมาก และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: บทความนี้ทำซ้ำจาก "ผู้ที่ชื่นชอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์" บทความนี้นำเสนอเฉพาะความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียน และไม่ได้นำเสนอมุมมองของ Sacco Micro และอุตสาหกรรม มีไว้สำหรับการพิมพ์ซ้ำและแบ่งปันเพื่อสนับสนุนการคุ้มครองสิทธิในทรัพย์สินทางปัญญาเท่านั้น โปรดระบุแหล่งที่มาต้นฉบับและผู้แต่งเมื่อพิมพ์ซ้ำ หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

โทรศัพท์บริษัท: +86-0755-83044319
แฟกซ์/แฟกซ์:+86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว
ที่อยู่: ห้อง 809 บล็อก C อาคารเทคโนโลยี Zhantao เลขที่ 1079 Minzhi Avenue เขตหลงหัวใหม่ เซินเจิ้น