Ưu điểm của cacbua silic so với silicon là gì?

Mô tả

Điện đang phát triển theo hướng các vật liệu có dải thông rộng (WBG) như cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN). Mặc dù silicon vẫn chiếm ưu thế trên thị trường nhưng các thiết bị SiC và GaN sẽ sớm cho ra đời một thế hệ giải pháp kỹ thuật mới hiệu quả hơn.Theo Yole Dé, tổ chức nghiên cứu thị trường có trụ sở tại Pháp; Veloppement ước tính đến năm 2025, doanh thu của thiết bị SiC sẽ chiếm hơn 10% tổng thị trường điện tử công suất và doanh thu của thiết bị GaN sẽ vượt quá 2%.Các nhà cung cấp linh kiện SiC nổi tiếng bao gồm stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor và Mitsubishi Electric.Cree giới thiệu danh mục MOSFET công suất 900V SiC thương mại đầu tiên và danh mục MOSFET SiC Wolfspeed 650V; Microchip và ROHM đều đã phát hành SiC MOSFET và diode; Feiling đã giới thiệu tám thiết bị MOSFET CoolSiC 650V. . .。 . Từ đó có thể thấy rằng tất cả các nhà sản xuất lớn đều có chiến lược bố trí và phát triển riêng về vật liệu SiC.Lợi thế về hiệu suất của cacbua silic so với silicon là gì?Silicon từ lâu đã là vật liệu bán dẫn quan trọng trong hầu hết các ứng dụng điện tử, nhưng so với SiC thì nó kém hiệu quả. Ngày nay, SiC đã được nhiều ứng dụng, đặc biệt là xe điện, áp dụng để đáp ứng các thách thức về năng lượng và chi phí trong việc phát triển các thiết bị hiệu suất cao và công suất cao.SiC bao gồm silicon và carbon nguyên chất. So với silicon, SiC có ba ưu điểm: cường độ trường sự cố tuyết lở tới hạn cao hơn, độ dẫn nhiệt cao hơn và khoảng cách dải rộng hơn.SiC có vùng cấm rộng 3 electron volt (eV) và có thể chịu được độ dốc điện áp lớn hơn 8 lần so với silicon mà không bị đánh thủng do tuyết lở. Khoảng cách dải càng rộng thì dòng rò ở nhiệt độ cao càng nhỏ và hiệu suất càng cao. Độ dẫn nhiệt càng lớn thì mật độ dòng điện càng cao.

Hình 1: Ưu điểm về hiệu suất của cacbua silic so với silicon

Chất nền SiC có cường độ điện trường cao hơn nên có thể sử dụng cấu trúc đế mỏng hơn và độ dày của nó có thể chỉ bằng 1/10 so với lớp epiticular silicon. Ngoài ra, nồng độ pha tạp của SiC cao gấp 2 lần so với silicon nên điện trở bề mặt của thiết bị giảm, tổn hao dẫn điện cũng giảm đáng kể.SiC đã được công nhận là công nghệ có thể thay thế silicon một cách đáng tin cậy. Nhiều nhà sản xuất mô-đun nguồn và bộ biến tần nguồn đã lên kế hoạch sử dụng công nghệ SiC trong lộ trình sản phẩm tương lai của họ.Công nghệ khoảng cách băng rộng này giúp giảm đáng kể tổn thất chuyển mạch và tổn thất dẫn điện dưới các tải cụ thể, cải thiện khả năng quản lý tản nhiệt và mang lại hiệu quả năng lượng chưa từng có. Trong hệ thống điện tử công suất, thiết kế tản nhiệt rất quan trọng, có thể đảm bảo mật độ năng lượng cao và giảm kích thước mạch. Trong các ứng dụng này, SiC là vật liệu bán dẫn lý tưởng vì độ dẫn nhiệt của nó gấp ba lần so với chất bán dẫn silicon.Công nghệ SiC phù hợp cho các dự án có công suất lớn như động cơ, trình điều khiển và bộ biến tần. Các nhà sản xuất bộ điều khiển điện đang phát triển các mạch điều khiển mới để đáp ứng nhu cầu của bộ chuyển đổi về tần số chuyển mạch cao hơn, đồng thời áp dụng cấu trúc liên kết phức tạp và khéo léo hơn để giảm nhiễu điện từ (EMI).Thiết bị SiC yêu cầu ít thành phần bên ngoài hơn, bố cục hệ thống đáng tin cậy hơn và chi phí sản xuất thấp hơn. Với hiệu suất cao hơn, kích thước tổng thể nhỏ hơn và trọng lượng nhẹ hơn, yêu cầu làm mát của thiết kế thông minh cũng giảm đi tương ứng.Ứng dụng của cacbua silic

Xe điện/xe hybrid

Một số nhà sản xuất ô tô đã đi đầu trong việc giới thiệu các loại xe hybrid và xe điện trên thị trường bằng cách sử dụng các khái niệm năng lượng mới. Những phương tiện này chứa các thiết bị và hệ thống mới, chẳng hạn như bộ biến tần (lên đến 300kW) để cấp nguồn cho động cơ, bộ sạc ắc quy xe 3.6kW đến 22kW, bộ sạc cảm ứng 3.6 kW đến 22kW (sạc không dây), bộ chuyển đổi DC/DC lên đến 5kW và bộ biến tần cho các tải phụ như điều hòa không khí và hệ thống lái trợ lực.Pin điện áp cao là một trong những trở ngại chính cho sự phát triển của xe hybrid và xe điện. Sử dụng SiC, các nhà sản xuất ô tô có thể giảm kích thước pin và tổng chi phí của xe điện.Ngoài ra, do SiC có hiệu suất tản nhiệt tốt nên các nhà sản xuất cũng có thể giảm giá thành các thiết bị hệ truyền động làm mát. Điều này giúp giảm trọng lượng và chi phí của xe điện.Xe điện/xe hybrid cũng là một trong những thị trường trọng điểm chiến lược SiC của Anson Semiconductor. Tại cuộc họp trao đổi truyền thông trực tuyến về "Chiến lược và Đề án cacbua silic bán dẫn Anson" được tổ chức gần đây, Wang Limin, giám đốc tiếp thị sản phẩm của bộ phận kế hoạch cung cấp điện của công ty, cho biết,Xe điện là một trong những động lực chính của cacbua silic, chiếm khoảng 60% tổng công suất thị trường cacbua silic. Các thiết bị cacbua silic được sử dụng trong bộ truyền động chính, OBC và DC-DC có thể cải thiện đáng kể hiệu suất, do đó có thể tăng độ bền của xe điện. Dựa trên những ưu điểm này, hiện nay, hầu hết tất cả các nhà sản xuất biến tần truyền động chính đều lấy cacbua silic làm hướng truyền động chính.

Hình 2: Xe điện là một trong những động lực chính của cacbua silic.

Bộ sạc xe chứa nhiều thiết bị chuyển đổi năng lượng khác nhau, chẳng hạn như điốt và MOSFET. Mục tiêu của nó là làm cho khối lượng mạch điện tử công suất nhỏ hơn bằng cách sử dụng các thành phần thụ động có kích thước nhỏ để tích hợp tất cả chúng lại với nhau.Mục tiêu này có thể đạt được nếu các thiết bị bán dẫn được sử dụng có thể được điều khiển trong cùng một mạch với tần số chuyển mạch cao. Tuy nhiên, do hiệu suất tản nhiệt của silicon kém nên giải pháp tần số chuyển mạch cao không phù hợp. SiC MOSFET cung cấp giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng như vậy.Hiện nay, hầu hết các nhà sản xuất OBC và DC-DC đều sử dụng các thiết bị cacbua silic làm thiết bị điện hiệu suất cao, điện áp cao và tần số cao.Vương Lập Minh chẳng hạnCalifornia đã ký sắc lệnh nhằm đạt mục tiêu 5 triệu xe điện trên đường vào năm 2030;Châu Âu cũng có lộ trình cho tất cả các loại xe điện thay thế xe chạy bằng nhiên liệu;Tại các thành phố lớn hạng nhất của Trung Quốc, xe điện có thể được cấp phép miễn phí.Tất cả các chính sách này đã thúc đẩy sự tăng trưởng đáng kể của xe điện và nhu cầu về xe điện đối với các thiết bị điện áp cao, tần số cao và hiệu suất cao cũng đã thúc đẩy sự tăng trưởng đáng kể của thị trường cacbua silic.Bộ nguồn 5G và bộ nguồn chuyển mạchLĩnh vực cung cấp điện và chuyển mạch 5G (SMPS) là thị trường chiến lược thứ hai của silicon Carbide cho Anson Semiconductor.Lĩnh vực cung cấp năng lượng chuyển mạch truyền thống là Boost và nguồn điện cao áp, luôn có yêu cầu cao về mật độ nguồn. Từ tiêu chuẩn vàng và tiêu chuẩn bạc sớm nhất về nguồn cung cấp năng lượng truyền thông cho đến nguồn cung cấp năng lượng truyền thông 5G hiện tại và nguồn cung cấp năng lượng cho trung tâm dữ liệu đám mây, tất cả đều có yêu cầu cao về hiệu suất năng lượng cao."Các thiết bị cacbua silic không có khả năng phục hồi ngược, giúp cho việc cung cấp năng lượng hiệu quả, có thể đạt tới 98%. Và nguồn cung cấp năng lượng 5G là thị trường truyền thống và tương đối lớn nhất của các thiết bị cacbua silic hiện nay. " Vương Lập Dân nói.

Hình 3: Cacbua silic có thể được sử dụng trong nguồn điện 5G và nguồn điện chuyển mạch.

Cọc sạc xe điệnCọc sạc xe điện cũng là một trong những thị trường chiến lược của chúng tôi về cacbua silic. Có rất nhiều phương án sạc cọc và hiện nay người tiêu dùng quan tâm nhất đến sạc nhanh DC.Cọc sạc có sạc DC nhanh cần nguồn sạc rất lớn và hiệu suất sạc rất cao, tất cả những điều đó cần được thực hiện bằng điện áp cao.Trong ứng dụng của cọc sạc xe điện, cho dù cacbua silic ở trạng thái Boost hay diode đầu ra, có rất nhiều sơ đồ cọc sạc của MOSFET cacbua silic sử dụng công tắc chính và triển vọng ứng dụng của chúng rất rộng.

Hình 4: Cọc sạc xe điện cũng là một lĩnh vực ứng dụng của cacbua silic.

Biến tần năng lượng mặt trời

Trong lĩnh vực biến tần năng lượng mặt trời, việc sử dụng diode silicon cacbua cũng rất lớn. Việc lắp đặt các bộ biến tần năng lượng mặt trời không ngừng tăng lên hàng năm và ước tính 15% năng lượng (hiện tại là 1%) sẽ đến từ năng lượng mặt trời trong 10 ~ 15 năm tới. Năng lượng mặt trời là miễn phí và vô tận. Các chính sách trong nước đã được đưa ra và các cá nhân có thể bán điện mặt trời cho lưới điện nhà nước."Chất bán dẫn cacbua silic có thể được áp dụng cho Boost của biến tần năng lượng mặt trời. Với việc tối ưu hóa chi phí biến tần năng lượng mặt trời, nhiều nhà sản xuất sẽ sử dụng MOSFET silicon cacbua làm thiết bị biến tần chính để thay thế mạch phức tạp điều khiển ba cấp (biến tần) ban đầu. " Wang Limin cho biết: "Về mặt thúc đẩy chính sách, EU có mục tiêu 20-20-20, tức là đến năm 2020, hiệu quả sử dụng năng lượng sẽ tăng 20%, lượng khí thải carbon dioxide sẽ giảm 20% và năng lượng tái tạo sẽ sẽ đạt 20%. NEA cũng đặt mục tiêu năng lượng sạch là đáp ứng 20% nhu cầu năng lượng của Trung Quốc vào năm 2030."

Hình 5: Ứng dụng Silicon Carbide trong Biến tần năng lượng mặt trời

tag

Độ tin cậy lâu dài đã trở thành biểu tượng của SiC MOSFET. Nhiệm vụ tiếp theo của các nhà sản xuất chất bán dẫn là phát triển các mô-đun nguồn đa chip hoặc mô-đun lai, tích hợp các bóng bán dẫn silicon và điốt SiC truyền thống trên cùng một thiết bị vật lý. Với điện áp đánh thủng cao hơn, các mô-đun này có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Chúng cũng có thể mang lại hiệu quả cao trong khi tiếp tục giảm kích thước của thiết bị.Xét về giá thị trường hiện tại, SiC MOSFET có lợi thế hệ thống so với IGBT silicon. Hơn nữa, với việc áp dụng rộng rãi công nghệ sản xuất wafer 150mm, dự kiến giá SiC MOSFET sẽ tiếp tục giảm.Một số nhà sản xuất đã bắt đầu sản xuất tấm bán dẫn 200mm (8 inch). Với việc tăng kích thước wafer, chi phí cho mỗi khuôn sẽ giảm nhưng năng suất cũng có thể giảm. Vì vậy, các nhà sản xuất phải liên tục cải tiến quy trình của mình.Tuy nhiên, do chi phí sản xuất thiết bị SiC cao và không được sản xuất hàng loạt nên khó được sử dụng rộng rãi. Việc sản xuất hàng loạt thiết bị SiC đòi hỏi một quy trình sản xuất và kiến trúc mạnh mẽ được thiết kế tốt. Ví dụ: trong thử nghiệm tấm bán dẫn, các thiết bị được thử nghiệm phải có kích thước nhỏ hơn và hoạt động ở dải điện áp và dòng điện cao hơn.Khi những vấn đề này được giải quyết, các nhà thiết kế OEM sẽ áp dụng nhiều thiết bị SiC hơn, tận dụng tối đa các đặc tính điện tốt của chúng, giảm đáng kể chi phí hệ thống và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được sao chép từ "Những người đam mê điện tử". Bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sacco Micro và ngành. Nó chỉ dành cho việc in lại và chia sẻ để hỗ trợ việc bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả khi tái bản. Nếu có vi phạm vui lòng liên hệ với chúng tôi để xóa.

Điện thoại công ty: +86-0755-83044319
Fax/fax:+86-0755-83975897
Email: 1615456225@qq.com
QQ: 332496225 Quản lý Qiu
Địa chỉ: Phòng 809, Khu C, Tòa nhà Công nghệ Zhantao, Số 1079 Đại lộ Minzhi, Quận Mới Long Hoa, Thâm Quyến