眾所周知,硅(Si)材料及其基礎(chǔ)上的技術(shù)方向曾經(jīng)改變了世界。硅材料從沙子中提煉,構(gòu)筑了遠(yuǎn)比沙土城堡更精密復(fù)雜的產(chǎn)品。如今,碳化硅(SiC)材料作為一種衍生技術(shù)進(jìn)入了市場(chǎng)——相比硅材料,它可以實(shí)現(xiàn)更高功率等級(jí)的功率轉(zhuǎn)換、更快的開(kāi)關(guān)速度、傳熱效率上也優(yōu)于硅材料。本篇博客探討了SiC材料如何提升產(chǎn)品性能以超越基于硅材料的領(lǐng)域,從而為我們?nèi)碌臄?shù)字世界創(chuàng)造下一代解決方案。硅基MOSFET、碳化硅(SiC)MOSFET、氮化鎵(GaN)HEMT或碳化硅(SiC)FET等功率電子器件是用于眾多市場(chǎng)領(lǐng)域的主要技術(shù)構(gòu)件。長(zhǎng)期以來(lái),硅一直是功率電子應(yīng)用中的首選半導(dǎo)體材料。直到最近,由于SiC技術(shù)性能和可靠性的顯著提升,人們開(kāi)始從硅轉(zhuǎn)向SiC器件。SiC的性能優(yōu)勢(shì)已在電動(dòng)車、白色家電、基礎(chǔ)設(shè)施、太陽(yáng)能/可再生能源、數(shù)據(jù)中心等多個(gè)電力電子市場(chǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。得益于更大的帶隙能量(即3.3eV,而硅為1.1eV——參見(jiàn)圖2)和更高的擊穿電壓,SiC可用于創(chuàng)建更新穎、更高性能的解決方案。如今,制造商采用SiC技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)基于各種半導(dǎo)體器件的功率電子模塊,如雙極結(jié)型晶體管(BJT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在接下來(lái)的章節(jié)中,我們將探討為何SiC正在成為面向未來(lái)的突破性電力電子技術(shù)。
采用SiC vs.Si:優(yōu)勢(shì)對(duì)比首先,SiC MOSFET或SiC FET與硅器件相比具有若干優(yōu)勢(shì)。SiC更高的擊穿電壓意味著可以使用更輕薄的器件來(lái)支持更高的電壓。另外,SiC相較于硅的其它優(yōu)勢(shì)還包括:作為一種寬帶隙材料,在高溫條件下漏電流較低;
更高的熱導(dǎo)率,有助于支持高電流密度應(yīng)用;
更低的能量損耗,有助于最大限度減少功率損耗;
更高的開(kāi)關(guān)頻率,減小了大型外圍被動(dòng)元器件的尺寸和重量;
較小的裸片尺寸和較低寄生電容帶來(lái)更低的開(kāi)關(guān)損耗,使得功率轉(zhuǎn)換器能夠在更高的開(kāi)關(guān)頻率及速度下運(yùn)行;
能夠在更高的環(huán)境溫度下正常工作,有助于減小散熱器的尺寸。
由此,我們現(xiàn)在可以看到SiC器件相對(duì)于硅基器件的諸多優(yōu)勢(shì);這也成為許多應(yīng)用從硅轉(zhuǎn)向SiC的原因。
在電力電子領(lǐng)域,如何在高功率應(yīng)用中有效減少或最小化功耗損失一直是非常重要的。與此類似,滿足極端條件下的熱設(shè)計(jì)要求也是非常重要的。SiC不但能夠滿足以上這些要求,其漏極-源極電阻(RDS(ON))比硅器件低300到400倍。這一品質(zhì)因數(shù)(FOM)是生產(chǎn)廠家的福音,基于這個(gè)特點(diǎn),這些客戶可以設(shè)計(jì)出高效率的電力電子設(shè)備。此外,有效裸片面積相同的情況下,碳化硅器件(SiC)可以轉(zhuǎn)換的功率等級(jí)比基于硅(Si)的器件更高——換句話說(shuō),碳化硅器件(SiC)可以用更小的芯片尺寸實(shí)現(xiàn)相同的功率等級(jí)轉(zhuǎn)換。此外,SiC具有較高的電熱導(dǎo)率和快速開(kāi)關(guān)功能,以及較低的輸出電容與RDS(ON)。因?yàn)樘蓟瑁⊿iC)器件可以轉(zhuǎn)換更高等級(jí)的能量并且理論上具備更高的開(kāi)關(guān)頻率,可以幫助制造商節(jié)省系統(tǒng)成本。原因何在?因?yàn)檫@些品質(zhì)因數(shù)(FOM)意味著那些被動(dòng)元器件的尺寸可以大大減少,例如:變壓器、扼流圈和電感器等磁性部件,而這些器件在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中所有開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中都必不可少的;所有這些FOM意味著碳化硅器件(SiC)將在三相逆變器、數(shù)字電源和功率電子變換器(AC/DC和DC/DC)等應(yīng)用中大有作為。效率是各個(gè)制造商當(dāng)下所追求的另一個(gè)FOM。鑒于全球都在推進(jìn)“綠色”能源倡議,在許多應(yīng)用中,效率也已成為一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素。下文中的圖1顯示了SiC相對(duì)于硅材料可實(shí)現(xiàn)更高的效率;這使其成為當(dāng)今許多下一代設(shè)計(jì)中的首選技術(shù)。SiC等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)是下一代高效功率電子器件的理想選擇(見(jiàn)圖2)。SiC從650V電壓開(kāi)始便表現(xiàn)出出色的電壓阻斷能力,且在更高電壓下所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)更為顯著。下一代解決方案的一個(gè)關(guān)鍵舉措是“綠色(即高能效)”系統(tǒng)的構(gòu)建。SiC則可提供這種能力——其寬帶隙特性可實(shí)現(xiàn)更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量,和更低的總體成本——即相當(dāng)于“更環(huán)保”的解決方案。
現(xiàn)在,我們對(duì)Si與SiC之間的比較有了更好的理解。在我們所處的全新數(shù)字世界,兩者在諸多應(yīng)用中均占有一席之地;然而,在很多解決方案中,SiC能夠?qū)崿F(xiàn)更優(yōu)秀的性能指標(biāo)。SiC技術(shù)能夠被應(yīng)用在廣泛的電力電子解決方案中。由于具備較廣的工作柵極驅(qū)動(dòng)范圍,在高頻DC/DC和AC/DC等應(yīng)用中采用SiC會(huì)帶來(lái)許多優(yōu)勢(shì)。此外,在電動(dòng)車逆變器中使用SiC,更可獲得更低的導(dǎo)通損耗和強(qiáng)大的短路處理能力。SiC技術(shù)的不斷進(jìn)步將促使其在更多應(yīng)用中得到推廣,并開(kāi)拓其它領(lǐng)域。同時(shí),封裝設(shè)計(jì)的進(jìn)步、市場(chǎng)接受度的提高,以及市場(chǎng)空間的快速增長(zhǎng),都會(huì)進(jìn)一步助力SiC技術(shù)應(yīng)用于更多解決方案。了解有關(guān)本主題的更多信息以及獲得針對(duì)您最新設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的解決方案,請(qǐng)?jiān)L問(wèn)Qorvo Design Hub(https://cn.qorvo.com/design-hub/),獲取內(nèi)容豐富的視頻、博客文章、白皮書(shū)和工具等。了解更多有關(guān)本主題和其它Qorvo電源解決方案的信息,請(qǐng)訪問(wèn)Qorvo.com網(wǎng)站,或留言您的聯(lián)系方式和方案簡(jiǎn)介,我們會(huì)有專人與您聯(lián)系。
原文標(biāo)題:功率電子器件從硅(Si)到碳化硅(SiC)的過(guò)渡
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