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碳化硅与硅相比有何优势?适合哪些应用?

2020-10-16 11:30:02 浏览 1058 点赞 0 收藏 0

电力电子朝向碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽能隙(WBG)材料发展,虽然硅仍然占据市场主流,但SiC与GaN器件很快就会催生新一代更高效的技术解决方案。

据总部位于法国的市场研究机构Yole Développement估计,到2025年SiC器件市场营收将占据整体电力电子市场的10%以上,GaN器件的营收比例会超过2%。

SiC组件的知名供货商包括意法半导体(ST)、Cree/Wolfspeed、罗姆、英飞凌、安森美半导体(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产品组合;Microchip和ROHM均已发布SiC MOSFET和二极管;英飞凌在推出了8款650V CoolSiC MOSFET器件......由此看出各大厂商在SiC材料方面均有所布局并有着自己的发展策略。

碳化硅较硅有何性能优势?

硅早已是大多数电子应用中的关键半导体材料,但与SiC相比,则显得效率低下。SiC现在已开始被多种应用采纳,特别是电动汽车,以应对开发高效率和高功率器件所面临的能源和成本挑战。

SiC由纯硅和碳组成,与硅相比具有三大优势:更高的临界雪崩击穿场强、更大的导热系数和更宽的禁带。

SiC具有3电子伏特(eV)的宽禁带,可以承受比硅大8倍的电压梯度而不会发生雪崩击穿。禁带越宽,在高温下的漏电流就越小,效率也越高。而导热系数越大,电流密度就越高。

图1:碳化硅相较于硅的性能优势

SiC衬底具有更高的电场强度,因而可以使用更薄的基础结构,其厚度可能仅为硅外延层的十分之一。此外,SiC的掺杂浓度比硅高2倍,因此器件的表面电阻降低了,传导损耗也显著减少。

SiC现已公认为是一种能够可靠替代硅的技术。许多电源模块和电源逆变器制造商已在其未来产品路线图中规划使用SiC技术。

这种宽禁带技术大幅降低了特定负载下的开关损耗和传导损耗,改善了散热管理,提供了前所未有的能效。在功率电子系统中,散热设计至关重要,它能确保高能量密度,同时缩小电路尺寸。在这些应用中,SiC因其3倍于硅半导体的导热系数而成为理想的半导体材料。

SiC技术适用于功率较高的项目,例如电动机、驱动器和逆变器。电驱动器制造商正在开发新的驱动电路,以满足转换器对更高开关频率的需求,并采用更复杂巧妙的拓扑结构来减小电磁干扰(EMI)。

SiC器件所需的外部元器件更少,系统布局更可靠,制造成本也更低。由于效率更高、外形尺寸更小以及重量更轻,智能设计的冷却要求也相应降低。

碳化硅的应用

电动汽车/混动汽车

几家汽车制造商运用全新的动力概念,在市场上率先推出了混动和电动汽车。这些车辆包含新的器件和系统,例如为发动机提供动力的变频器(最高达300kW)、3.6W至22kW车载电池充电器、3.6kW至22kW感应充电器(无线充电)、高达5kW的DC/DC转换器,以及用于空调和动力转向系统等辅助负荷的逆变器。

新型高压电池是混动和电动汽车发展的主要障碍之一。利用SiC,汽车制造商可以缩小电池尺寸,同时降低电动汽车的总成本。

此外,由于SiC具有良好的散热性能,因此制造商还可以降低冷却动力总成器件的成本。这有助于减小电动汽车的重量并降低成本。

电动汽车/混动汽车也是安森美半导体的SiC战略重点市场之一。在近日举办的“安森美半导体碳化硅策略及方案”在线媒体交流会上,该公司电源方案部产品市场经理王利民介绍说,

电动汽车是碳化硅的主要驱动力之一,将占整个碳化硅市场容量约60%。碳化硅器件应用于主驱、OBC和DC-DC,可大幅度提高效率,因此能给电动汽车增加续航能力。基于这些优点,目前几乎所有做主驱逆变器的厂家都以研究碳化硅做主驱为方向。

图2:电动汽车是碳化硅的主要驱动力之一

车载充电器包含各种功率转换器件,例如二极管和MOSFET。其目标是通过使用小尺寸无源元件,使功率电子电路体积变小,从而将它们全部集成在一起。

如果所用的半导体器件能够用高开关频率在相同的电路中进行控制,就可以实现这个目标。但是,由于硅的散热性能不够好,高开关频率解决方案并不适用。SiC MOSFET为此类应用提供了理想的解决方案。

目前绝大部分OBC和DC-DC厂家是使用碳化硅器件作为高效、高压和高频率的功率器件。

王利民举例说,

美国加利福尼亚州已签署行政命令,到2030年实现500万辆电动车上路的目标; 欧洲也有电动汽车全部替换燃油车的时间表; 而在中国各大一线城市,电动汽车可以零费用上牌。

这一系列政策都推动了电动汽车的大幅增长,电动汽车对于高压、高频率和高效率器件的需求也推动了碳化硅市场的大幅增长。

5G电源和开关电源

5G电源和开关电源(SMPS)领域是安森美半导体的第二个碳化硅战略市场。

传统的开关电源领域是Boost及高压电源,对功率密度一直都有很高的要求,从最早通信电源的金标、银标,到现在的5G通信电源和云数据中心电源,这些都对高能效有很高的要求。

“碳化硅器件没有反向恢复,使得电源能效非常高,可达到98%。电源和5G电源是碳化硅器件最传统、也是目前相对较大的一个市场。”王利民说。

图3:碳化硅可用于5G电源和开关电源中

电动汽车充电桩

电动汽车充电桩也是我们碳化硅战略市场之一。充电桩实现的方案有很多种,现在消费者最感兴趣的就是直流快充。

直流快充的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率,这些都需要通过高电压来实现。

在电动汽车充电桩的应用里,碳化硅无论是在Boost,还是输出的二极管,目前有很多使用主开关的碳化硅MOSFET电动汽车充电桩方案,其应用前景非常广阔。

太阳能逆变器

在太阳能逆变器领域,碳化硅二极管的使用量也非常巨大。太阳能逆变器的安装量每年持续增长,预计未来10~15年会有15%的能源(目前是1%)来自太阳能。太阳能是免费的,且取之不尽用之不竭。国内已出台相关政策,个人可以把太阳能电力卖给国家电网。

“碳化硅半导体可应用于太阳能逆变器的Boost。随着太阳能逆变器成本的优化,不少厂家会使用碳化硅的MOSFET作为主逆变的器件,用来替换原来的三电平(逆变器)控制复杂电路。”王利民说,“在政策驱动方面,欧盟有20-20-20目标,即到2020年,能效提高20%,二氧化碳排放量降低20%,可再生能源达到20%。NEA也设定了清洁能源目标,到2030年要满足中国20%的能源需求。”

图5:碳化硅在太阳能逆变器中的应用

结语

长期可靠性已成为SiC MOSFET的标志。功率半导体制造商接下来的任务是开发多芯片功率模块或混合模块,将传统的硅晶体管和SiC二极管集成在同一物理器件上。由于具有较高的击穿电压,这些模块可以在更高的温度下工作。它们还能提供高效率,同时进一步缩小设备尺寸。

从目前的市场价格来看,SiC MOSFET相较于硅IGBT具有系统级优势,而且,随着150 毫米晶圆制造被广泛采用,预计SiC MOSFET的价格还将继续下降。

一些制造商已经开始生产200毫米(8英寸)晶圆。随着晶圆尺寸的增加,每个裸片的成本将会降低,但良率也可能降低。因此,制造商必须不断改进工艺。

然而,由于SiC器件的制造工艺成本较高,并且缺乏量产,因而很难被广泛使用。SiC器件的批量生产需要精心设计的稳健架构和制造工艺,例如在晶圆测试中,要求被测试的器件尺寸更小并且工作在较高的电流和电压范围内。

一旦解决了这些难题,OEM设计师将会采用更多的SiC器件,充分利用其良好的电气特性,大幅降低系统成本并提高整体效率。

声明:本文出自公众号【安森美半导体】,转载目的在于信息传递,版权归原作者所有,如涉及侵权,请联系删除。

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