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碳化硅有哪些優勢?能應用在那些方面

Wildesbeast ? 來源:電子技術設計 ? 作者:廖均 ? 2020-10-17 11:01 ? 次閱讀

電力電子朝向碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)材料發展,雖然硅仍然占據市場主流,但SiC與GaN器件很快就會催生新一代更高效的技術解決方案。

據總部位于法國的市場研究機構Yole Développement估計,到2025年SiC器件市場營收將占據整體電力電子市場的10%以上,GaN器件的營收比例會超過2%。

SiC組件的知名供貨商包括意法半導體(ST)、Cree/Wolfspeed、羅姆英飛凌安森美半導體(On Semiconductor)以及三菱(Mitsubishi Electric)。

Cree推出了首款商用900V SiC功率MOSFET以及Wolfspeed 650V碳化硅MOSFET產品組合;Microchip和ROHM均已發布SiC MOSFET和二極管;英飛凌在推出了8款650V CoolSiC MOSFET器件。..。..由此看出各大廠商在SiC材料方面均有所布局并有著自己的發展策略。

碳化硅較硅有何性能優勢?

硅早已是大多數電子應用中的關鍵半導體材料,但與SiC相比,則顯得效率低下。SiC現在已開始被多種應用采納,特別是電動汽車,以應對開發高效率和高功率器件所面臨的能源和成本挑戰。

SiC由純硅和碳組成,與硅相比具有三大優勢:更高的臨界雪崩擊穿場強、更大的導熱系數和更寬的禁帶。

SiC具有3電子伏特(eV)的寬禁帶,可以承受比硅大8倍的電壓梯度而不會發生雪崩擊穿。禁帶越寬,在高溫下的漏電流就越小,效率也越高。而導熱系數越大,電流密度就越高。

SiC襯底具有更高的電場強度,因而可以使用更薄的基礎結構,其厚度可能僅為硅外延層的十分之一。此外,SiC的摻雜濃度比硅高2倍,因此器件的表面電阻降低了,傳導損耗也顯著減少。

SiC現已公認為是一種能夠可靠替代硅的技術。許多電源模塊電源逆變器制造商已在其未來產品路線圖中規劃使用SiC技術。

這種寬禁帶技術大幅降低了特定負載下的開關損耗和傳導損耗,改善了散熱管理,提供了前所未有的能效。在功率電子系統中,散熱設計至關重要,它能確保高能量密度,同時縮小電路尺寸。在這些應用中,SiC因其3倍于硅半導體的導熱系數而成為理想的半導體材料。

SiC技術適用于功率較高的項目,例如電動機、驅動器和逆變器。電驅動器制造商正在開發新的驅動電路,以滿足轉換器對更高開關頻率的需求,并采用更復雜巧妙的拓撲結構來減小電磁干擾(EMI)。

SiC器件所需的外部元器件更少,系統布局更可靠,制造成本也更低。由于效率更高、外形尺寸更小以及重量更輕,智能設計的冷卻要求也相應降低。

碳化硅的應用

電動汽車/混動汽車

幾家汽車制造商運用全新的動力概念,在市場上率先推出了混動和電動汽車。這些車輛包含新的器件和系統,例如為發動機提供動力的變頻器(最高達300kW)、3.6W至22kW車載電池充電器、3.6kW至22kW感應充電器(無線充電)、高達5kW的DC/DC轉換器,以及用于空調和動力轉向系統等輔助負荷的逆變器。

新型高壓電池是混動和電動汽車發展的主要障礙之一。利用SiC,汽車制造商可以縮小電池尺寸,同時降低電動汽車的總成本。

此外,由于SiC具有良好的散熱性能,因此制造商還可以降低冷卻動力總成器件的成本。這有助于減小電動汽車的重量并降低成本。

電動汽車/混動汽車也是安森美半導體的SiC戰略重點市場之一。在近日舉辦的“安森美半導體碳化硅策略及方案”在線媒體交流會上,該公司電源方案部產品市場經理王利民介紹說,

電動汽車是碳化硅的主要驅動力之一,將占整個碳化硅市場容量約60%。碳化硅器件應用于主驅、OBC和DC-DC,可大幅度提高效率,因此能給電動汽車增加續航能力。基于這些優點,目前幾乎所有做主驅逆變器的廠家都以研究碳化硅做主驅為方向。

車載充電器包含各種功率轉換器件,例如二極管和MOSFET。其目標是通過使用小尺寸無源元件,使功率電子電路體積變小,從而將它們全部集成在一起。

如果所用的半導體器件能夠用高開關頻率在相同的電路中進行控制,就可以實現這個目標。但是,由于硅的散熱性能不夠好,高開關頻率解決方案并不適用。SiC MOSFET為此類應用提供了理想的解決方案。

目前絕大部分OBC和DC-DC廠家是使用碳化硅器件作為高效、高壓和高頻率的功率器件。

王利民舉例說,

美國加利福尼亞州已簽署行政命令,到2030年實現500萬輛電動車上路的目標;

歐洲也有電動汽車全部替換燃油車的時間表;

而在中國各大一線城市,電動汽車可以零費用上牌。

這一系列政策都推動了電動汽車的大幅增長,電動汽車對于高壓、高頻率和高效率器件的需求也推動了碳化硅市場的大幅增長。

5G電源和開關電源

5G電源和開關電源(SMPS)領域是安森美半導體的第二個碳化硅戰略市場。

傳統的開關電源領域是Boost及高壓電源,對功率密度一直都有很高的要求,從最早通信電源的金標、銀標,到現在的5G通信電源和云數據中心電源,這些都對高能效有很高的要求。

“碳化硅器件沒有反向恢復,使得電源能效非常高,可達到98%。電源和5G電源是碳化硅器件最傳統、也是目前相對較大的一個市場。”王利民說。

電動汽車充電樁

電動汽車充電樁也是我們碳化硅戰略市場之一。充電樁實現的方案有很多種,現在消費者最感興趣的就是直流快充。

直流快充的充電樁需要非常大的充電功率以及非常高的充電效率,這些都需要通過高電壓來實現。

在電動汽車充電樁的應用里,碳化硅無論是在Boost,還是輸出的二極管,目前有很多使用主開關的碳化硅MOSFET電動汽車充電樁方案,其應用前景非常廣闊。

太陽能逆變器

在太陽能逆變器領域,碳化硅二極管的使用量也非常巨大。太陽能逆變器的安裝量每年持續增長,預計未來10~15年會有15%的能源(目前是1%)來自太陽能。太陽能是免費的,且取之不盡用之不竭。國內已出臺相關政策,個人可以把太陽能電力賣給國家電網。

“碳化硅半導體可應用于太陽能逆變器的Boost。隨著太陽能逆變器成本的優化,不少廠家會使用碳化硅的MOSFET作為主逆變的器件,用來替換原來的三電平(逆變器)控制復雜電路。”王利民說,“在政策驅動方面,歐盟有20-20-20目標,即到2020年,能效提高20%,二氧化碳排放量降低20%,可再生能源達到20%。NEA也設定了清潔能源目標,到2030年要滿足中國20%的能源需求。”

結語

長期可靠性已成為SiC MOSFET的標志。功率半導體制造商接下來的任務是開發多芯片功率模塊或混合模塊,將傳統的硅晶體管和SiC二極管集成在同一物理器件上。由于具有較高的擊穿電壓,這些模塊可以在更高的溫度下工作。它們還能提供高效率,同時進一步縮小設備尺寸。

從目前的市場價格來看,SiC MOSFET相較于硅IGBT具有系統級優勢,而且,隨著150 毫米晶圓制造被廣泛采用,預計SiC MOSFET的價格還將繼續下降。

一些制造商已經開始生產200毫米(8英寸)晶圓。隨著晶圓尺寸的增加,每個裸片的成本將會降低,但良率也可能降低。因此,制造商必須不斷改進工藝。

然而,由于SiC器件的制造工藝成本較高,并且缺乏量產,因而很難被廣泛使用。SiC器件的批量生產需要精心設計的穩健架構和制造工藝,例如在晶圓測試中,要求被測試的器件尺寸更小并且工作在較高的電流和電壓范圍內。

一旦解決了這些難題,OEM設計師將會采用更多的SiC器件,充分利用其良好的電氣特性,大幅降低系統成本并提高整體效率。

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