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碳化硅瞄准新功率电子产业

2020-03-13 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
硅早已是大多数电子应用中的关键半导体材料,但与碳化硅(SiC)相比,则显得效率低下。SiC技术可提供更高的效率、更小的尺寸及更低的成本,并且降低了更智能电源设计的冷却要求,因而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。

碳化硅(SiC)技术可提供更高的效率、更小的尺寸及更低的成本,并且降低了更智能电源设计的冷却要求。TXHednc

宽禁带(WBG)半导体技术在功率电子器件中的应用越来越多。与传统的硅技术相比,碳化硅和氮化镓(GaN)半导体材料显示出卓越的性能,使功率器件能够在高电压尤其是高温和高开关频率下工作。功率电子系统的设计人员正在研究如何充分利用GaN和SiC器件的优势。TXHednc

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。TXHednc

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。TXHednc

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。TXHednc

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。TXHednc

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。TXHednc

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)。TXHednc

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。TXHednc

应用

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。TXHednc

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。TXHednc

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。TXHednc

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(图1)。TXHednc

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图1:3kW EV车载充电器。(图片来源:GaN Systems Inc.)TXHednc

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。TXHednc

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(图2)。TXHednc

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图2:碳化硅产品可用于改进效率、可靠性和散热管理。(图片来源:Littelfuse)TXHednc

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。TXHednc

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。SiC半导体技术将主要应用于使用车载充电设备和电源逆变器的电动汽车。TXHednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下Power Electronics News网站,参考链接:Silicon Carbide Targets the New Power Electronics Industry。)TXHednc

本文为《电子技术设计》2020年03月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里TXHednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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