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我们正步入“碳化硅时代”

日期:2019年12月24日 08:24

随着物联网(IoT)、大数据和人工智能(AI)驱动的全新计算时代到来,对节能芯片的需求正在稳步增长。在这种情况下,我们通常考虑摩尔定律,缩小晶体管的尺寸。

 

然而,功率半导体的进步并不取决于晶体管尺寸的减少。硅电源开关,如MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)和IGBT(绝缘栅双极型晶体管),被用来处理12V到+3.3kV的电压和数百安培的电流。这些开关要消耗很多能量!但它们的能力有限,这推动了碳化硅(SiC)等新材料的发展,这些新材料有望提供优异的性能。

 

碳化硅是一种复合半导体材料,它将硅和碳结合在一起,创造出了硅的超级表亲。与硅相比,碳化硅需要三倍以上的能量才能使电子开始自由移动。这种更宽的禁带宽度给了材料有趣的特性,如更快的开关和更高的功率密度。下面将重点介绍两个用例,从中看出SiC设备可以带来的显著好处。

 

SiC用于汽车

 

研究公司Yole development的数据显示,世界上有超过10亿辆汽车。截至2017年,190万辆汽车(约0.2%)是电动汽车。到2040年,这一比例预计将增长到50%,因此,提高电力效率至关重要。

 

电动汽车通常有一个主发动机来驱动车轮,六个功率晶体管和二极管被用来驱动马达。每个晶体管需要能够阻挡700V和转换几百安培。大多数电源开关使用脉冲宽度调制(PWM)技术,这意味着他们每秒打开/关闭成千上万次。当晶体管打开/关闭时,状态之间有一个过渡延迟(Figure 1)。就像打开/关闭水龙头,彻底打开/关闭阀门需要一定时间,在这段时间内,一些水可能会被浪费。同样的道理也适用于晶体管,在电力应用中,一个重要的目标是尽量提高开关速度,以减少开关损耗,实现更高的效率。

 

 

更好的开关性能、低导通电阻和高击穿电压使SiC器件成为传统硅功率器件(MOSFET)、DC-DC转换器、不间断电源系统和电机应用的理想替代品(Figure 2)。

 

使用SiC MOSFET可以用更少的功率驱动电动汽车的马达,最终提高电动汽车的行驶里程。因为更高的开关频率带来更高的功率密度和更小更轻的电机,热量浪费的减少又允许电动汽车使用更小更轻的散热器,进一步优化汽车重量和行驶里程。

 

SiC用于太阳能

 

SiC的另一个应用是太阳能逆变器,它的尺寸只有基于IGBT解决方案的一半。SiC更快的开关速度意味着制造商可以减少系统中无源元件的尺寸。大型电容器和变压器可以用更小的替代品来代替,同时还可以减小散热器的尺寸。随着系统效率的提高,能量捕获实现最大化。

 

使用SiC

 

尽管SiC设备有令人兴奋的巨大潜力,但目前仍存在制造问题。一个主要的问题是衬底缺陷,为了获得商业成功所需的高产量,SiC设备必须减少这些缺陷。应用材料公司正在与生态系统的参与者,包括SiC晶圆制造商和IDM(集成器件制造商)公司合作,专门解决可制造性问题。我们后续再讨论这方面的发展。

 

许多行业预测人士认为,SiC最终将在更高电压和高功耗的应用领域取代硅。正如所有的超级英雄一样,当行业接受SiC时,它将能应对更大的功耗和效率挑战,从而使世界变得更加美好。

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