Tanımlamak

Elektrik, silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) gibi geniş bant aralıklı (WBG) malzemelere doğru gelişiyor. Silikon hala pazara hakim olmasına rağmen, SiC ve GaN cihazları yakında yeni nesil daha verimli teknik çözümleri doğuracak.Merkezi Fransa'da bulunan pazar araştırma kuruluşu Yole Dé'ye göre; Veloppement, 2025 yılına kadar SiC cihazlarının gelirinin genel güç elektroniği pazarının %10'undan fazlasını oluşturacağını, GaN cihazlarının gelirinin ise %2'yi aşacağını tahmin ediyor.SiC bileşenlerinin tanınmış tedarikçileri arasında stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor ve Mitsubishi Electric bulunmaktadır.Cree, ilk ticari 900V SiC güçlü MOSFET ve Wolfspeed 650V SiC MOSFET portföyünü tanıttı; Microchip ve ROHM, SiC MOSFET'i ve diyotu piyasaya sürdü; Feiling sekiz adet 650V CoolSiC MOSFET cihazını piyasaya sürdü. . .. . Buradan tüm büyük üreticilerin SiC malzemeleri konusunda kendi yerleşim ve geliştirme stratejilerine sahip olduğu görülebilir.Silisyum karbürün silisyuma göre performans avantajı nedir?Silikon uzun zamandır çoğu elektronik uygulamada anahtar yarı iletken malzeme olmuştur, ancak SiC ile karşılaştırıldığında verimsizdir. Günümüzde SiC, yüksek verimli ve yüksek güçlü cihazların geliştirilmesindeki enerji ve maliyet zorluklarını karşılamak için başta elektrikli araçlar olmak üzere birçok uygulama tarafından benimsenmiştir.SiC saf silikon ve karbondan oluşur. Silikonla karşılaştırıldığında SiC'nin üç avantajı vardır: daha yüksek kritik çığ kırılma alanı gücü, daha yüksek termal iletkenlik ve daha geniş bant aralığı.SiC, 3 elektron voltluk (eV) geniş bir bant aralığına sahiptir ve çığ düşmesi olmadan silikonunkinden 8 kat daha büyük bir voltaj gradyanına dayanabilir. Bant aralığı ne kadar geniş olursa, yüksek sıcaklıkta kaçak akım o kadar küçük olur ve verimlilik de o kadar yüksek olur. Isı iletkenliği ne kadar büyük olursa, akım yoğunluğu da o kadar yüksek olur.

Şekil 1: Silisyum karbürün silisyumla karşılaştırıldığında performans avantajları

SiC substratı daha yüksek bir elektrik alan kuvvetine sahiptir, dolayısıyla daha ince bir taban yapısı kullanılabilir ve kalınlığı silikon epitaksiyel katmanın kalınlığının yalnızca onda biri olabilir. Ayrıca SiC'nin doping konsantrasyonu silikonunkinden 2 kat daha yüksektir, bu nedenle cihazın yüzey direnci azalır ve iletim kaybı da önemli ölçüde azalır.SiC, silikonun güvenilir bir şekilde yerini alabilecek bir teknoloji olarak kabul edilmiştir. Birçok güç modülü ve güç çevirici üreticisi, gelecekteki ürün yol haritalarında SiC teknolojisini kullanmayı planlamaktadır.Bu geniş bant aralığı teknolojisi, belirli yükler altında anahtarlama kaybını ve iletim kaybını büyük ölçüde azaltır, ısı dağılımı yönetimini iyileştirir ve benzeri görülmemiş enerji verimliliği sağlar. Güç elektroniği sisteminde, yüksek enerji yoğunluğunu sağlayabilen ve devre boyutunu azaltabilen ısı dağılımı tasarımı çok önemlidir. Bu uygulamalarda SiC ideal bir yarı iletken malzemedir çünkü termal iletkenliği silikon yarı iletkenin üç katıdır.SiC teknolojisi motor, sürücü ve invertör gibi yüksek güce sahip projeler için uygundur. Elektrikli sürücü üreticileri, dönüştürücünün daha yüksek anahtarlama frekansı talebini karşılamak için yeni sürüş devreleri geliştiriyor ve elektromanyetik girişimi (EMI) azaltmak için daha karmaşık ve ustaca topoloji benimsiyor.SiC cihazları daha az harici bileşen, daha güvenilir sistem düzeni ve daha düşük üretim maliyeti gerektirir. Daha yüksek verimlilik, daha küçük toplam boyut ve daha hafif ağırlık sayesinde akıllı tasarımın soğutma gereksinimleri de buna bağlı olarak azalır.Silisyum karbür uygulaması

Elektrikli otomobil/hibrit otomobil

Pek çok otomobil üreticisi, yeni güç konseptlerini kullanarak hibrid ve elektrikli araçların pazara sunulmasında öncülük yapıyor. Bu araçlar, motorlara güç sağlamak için frekans dönüştürücüler (300kW'a kadar), 3.6kW ila 22kW araç akü şarj cihazları, 3.6 kW ila 22kW endüksiyon şarj cihazları (kablosuz şarj), 5kW'a kadar DC/DC dönüştürücüler ve invertörler gibi yeni cihazlar ve sistemler içerir. klimalar ve hidrolik direksiyon sistemleri gibi yardımcı yükler için.Yüksek voltajlı batarya, hibrit ve elektrikli araçların geliştirilmesinin önündeki temel engellerden biridir. Otomobil üreticileri SiC kullanarak elektrikli araçların pil boyutunu ve toplam maliyetini azaltabilir.Ayrıca SiC iyi bir ısı dağıtma performansına sahip olduğundan üreticiler güç aktarma organlarının soğutulma maliyetini de azaltabilirler. Bu, elektrikli araçların ağırlığının ve maliyetinin azaltılmasına yardımcı olur.Elektrikli araç/hibrit araç aynı zamanda Anson Semiconductor'ın SiC stratejik kilit pazarlarından biridir. Yakın zamanda düzenlenen "Anson Semiconductor Silisyum Karbür Stratejisi ve Planı"nın çevrimiçi medya alışverişi toplantısında şirketin güç kaynağı planı departmanının ürün pazarlama müdürü Wang Limin şunları söyledi:Elektrikli araç, silisyum karbürün ana itici güçlerinden biridir ve toplam silisyum karbür pazar kapasitesinin yaklaşık %60'ını oluşturur. Ana tahrik, OBC ve DC-DC'de kullanılan silisyum karbür cihazlar verimliliği büyük ölçüde artırabilir, böylece elektrikli araçların dayanıklılığını artırabilir. Bu avantajlara dayanarak, günümüzde neredeyse tüm ana tahrikli invertör üreticileri, ana tahrik yönü olarak silisyum karbür almaktadır.

Şekil 2: Elektrikli araç silisyum karbürün ana itici güçlerinden biridir.

Araç şarj cihazında diyotlar ve MOSFET gibi çeşitli güç dönüştürme cihazları bulunur. Amacı, küçük boyutlu pasif bileşenler kullanarak güç elektroniği devrelerinin hacmini küçülterek hepsini bir araya getirmektir.Kullanılan yarı iletken cihazların aynı devrede yüksek anahtarlama frekansı ile kontrol edilmesi durumunda bu amaca ulaşılabilir. Ancak silikonun zayıf ısı dağıtma performansı nedeniyle yüksek anahtarlama frekansı çözümü uygun değildir. SiC MOSFET bu tür uygulamalar için ideal bir çözüm sunar.Şu anda çoğu OBC ve DC-DC üreticisi, yüksek verimli, yüksek voltajlı ve yüksek frekanslı güç cihazları olarak silisyum karbür cihazlarını kullanıyor.Örneğin Wang Limin,Kaliforniya, 5 yılına kadar 2030 milyon elektrikli aracın yollarda olması hedefine ulaşmak için bir idari emir imzaladı;Avrupa'da ayrıca tüm elektrikli araçların yakıtlı araçların yerini alması için bir zaman çizelgesi bulunmaktadır;Çin'in büyük birinci kademe şehirlerinde elektrikli araçlar ücretsiz olarak lisanslanabiliyor.Tüm bu politikalar elektrikli araçların önemli ölçüde büyümesini destekledi ve elektrikli araçların yüksek voltaj, yüksek frekans ve yüksek verimli cihazlara olan talebi de silisyum karbür pazarının önemli ölçüde büyümesini destekledi.5G güç kaynağı ve anahtarlamalı güç kaynağı5G güç kaynağı ve anahtarlamalı güç kaynağı (SMPS) alanı, Anson Semiconductor için silisyum karbürün ikinci stratejik pazarıdır.Geleneksel anahtarlamalı güç kaynağı alanı, her zaman yüksek güç yoğunluğu gereksinimlerine sahip olan Boost ve yüksek voltajlı güç kaynağıdır. En eski altın standart ve gümüş standart iletişim güç kaynağından mevcut 5G iletişim güç kaynağına ve bulut veri merkezi güç kaynağına kadar bunların tümü, yüksek enerji verimliliğine yönelik yüksek gereksinimlere sahiptir."Silisyum karbür cihazların ters geri kazanımı yoktur, bu da güç kaynağının %98'e ulaşabilen enerji verimli olmasını sağlar. Ve 5G güç kaynağı şu anda silisyum karbür cihazların en geleneksel ve nispeten büyük pazarıdır. " Wang Limin dedi.

Şekil 3: Silisyum karbür, 5G güç kaynağında ve anahtarlamalı güç kaynağında kullanılabilir.

Elektrikli araç şarj yığınıElektrikli araç şarj yığını da silisyum karbür için stratejik pazarlarımızdan biridir. Yığınları şarj etmek için birçok plan var ve artık tüketiciler en çok DC hızlı şarjla ilgileniyor.Hızlı DC şarjlı şarj yığını, çok büyük şarj gücüne ve çok yüksek şarj verimliliğine ihtiyaç duyar ve bunların hepsinin yüksek voltajla gerçekleştirilmesi gerekir.Elektrikli araç şarj yığınının uygulanmasında, silisyum karbürün Boost'ta veya çıkış diyotunda olmasına bakılmaksızın, ana anahtarı kullanan silisyum karbür MOSFET'in birçok şarj yığını şeması vardır ve bunların uygulama beklentileri çok geniştir.

Şekil 4: Elektrikli araç şarj yığını da silisyum karbürün bir uygulama alanıdır.

Güneş invertörü

Solar invertör alanında silisyum karbür diyotun kullanımı da oldukça fazladır. Solar invertörlerin kurulumu her yıl artmaya devam ediyor ve önümüzdeki 15~1 yıl içinde enerjinin %10'inin (şu anda %15) güneş enerjisinden geleceği tahmin ediliyor. Güneş enerjisi bedava ve tükenmez. Yurtiçi politikalar uygulamaya kondu ve bireyler güneş enerjisini devlet şebekesine satabiliyor."Silikon karbür yarı iletken, güneş enerjisi invertörünün güçlendirilmesine uygulanabilir. Solar invertör maliyetinin optimizasyonu ile birçok üretici, orijinal üç seviyeli (inverter) kontrol karmaşık devresinin yerine ana invertör cihazı olarak silisyum karbür MOSFET'i kullanacak. " Wang Limin, "Politika yönlendirme açısından AB'nin 20-20-20 hedefi var; yani 2020 yılına kadar enerji verimliliği %20 artırılacak, karbondioksit emisyonları %20 azaltılacak ve yenilenebilir enerji %20'ye ulaşacak. NEA ayrıca 20 yılına kadar Çin'in enerji talebinin %2030'sini karşılayacak temiz enerji hedefi belirledi."

Şekil 5: Silisyum Karbürün Solar İnvertörde Uygulanması

etiket

Uzun vadeli güvenilirlik SiC MOSFET'in sembolü haline geldi. Yarı iletken üreticilerinin bir sonraki görevi, geleneksel silikon transistörleri ve SiC diyotları aynı fiziksel cihaza entegre eden çok çipli güç modülleri veya hibrit modüller geliştirmektir. Daha yüksek arıza voltajı ile bu modüller daha yüksek sıcaklıkta çalışabilir. Ekipman boyutunu daha da azaltırken aynı zamanda yüksek verimlilik de sağlayabilirler.Mevcut piyasa fiyatı açısından bakıldığında, SiC MOSFET, silikon IGBT'ye göre sistem düzeyinde bir avantaja sahiptir. Ayrıca, 150 mm yonga plakası üretiminin yaygınlaşmasıyla birlikte, SiC MOSFET fiyatının düşmeye devam etmesi beklenmektedir.Bazı üreticiler 200 mm (8 inç) levha üretmeye başlamıştır. Gofret boyutunun artmasıyla kalıp başına maliyet azalacaktır ancak verim de düşebilir. Bu nedenle üreticilerin süreçlerini sürekli iyileştirmeleri gerekiyor.Ancak SiC cihazlarının üretim maliyetinin yüksek olması ve seri üretimin olmaması nedeniyle yaygın olarak kullanılması zordur. SiC cihazlarının seri üretimi, iyi tasarlanmış sağlam bir mimari ve üretim süreci gerektirir. Örneğin levha testinde, test edilen cihazların boyutlarının daha küçük olması ve daha yüksek akım ve voltaj aralığında çalışması gerekir.Bu sorunlar çözüldüğünde, OEM tasarımcıları daha fazla SiC cihazını benimseyecek, iyi elektriksel özelliklerinden tam olarak yararlanacak, sistem maliyetini büyük ölçüde azaltacak ve genel verimliliği artıracaktır.

Yasal Uyarı: Bu makale "Elektronik Meraklıları"ndan kopyalanmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro ve sektörün görüşlerini temsil etmez. Fikri mülkiyet haklarının korunmasını desteklemek amacıyla yalnızca yeniden basılması ve paylaşılması içindir. Lütfen yeniden basarken orijinal kaynağı ve yazarını belirtin. Herhangi bir ihlal varsa, silmek için lütfen bizimle iletişime geçin.

Şirket Tel: +86-0755-83044319
Faks/faks:+86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Yönetici Qiu
Adres: Oda 809, Blok C, Zhantao Teknoloji Binası, No.1079 Minzhi Bulvarı, Longhua Yeni Bölgesi, Shenzhen