Generasi ketiga semikonduktor celah pita lebar yang diwakili oleh silikon karbida dapat beroperasi normal di lingkungan suhu, tegangan, dan frekuensi yang lebih tinggi, sambil mengonsumsi daya lebih rendah serta memiliki daya tahan dan keandalan yang lebih besar. Ini akan memberikan peluang lompatan besar bagi generasi berikutnya dari produk elektronika daya yang lebih kecil, lebih cepat, lebih murah, dan lebih efisien.

The advancement and industrialization of silicon carbide power electronic device technology will open up new applications in high-voltage power systems and have a profound impact on the transformation of the power system. The excellent high-efficiency, high-voltage, high-temperature and high-frequency characteristics of silicon carbide power electronic devices give it great application potential in the fields of household appliances, motor energy saving, electric vehicles, smart grids, aerospace, oil exploration, automation, radar and communications.

Pengantar perangkat elektronik daya silikon karbida

1. Definisi silikon karbida (SiC)

Perangkat elektronika daya silikon karbida (SiC) merujuk pada perangkat elektronika daya celah pita lebar yang terbuat dari material semikonduktor generasi ketiga, SiC. Perangkat ini memiliki karakteristik tahan suhu tinggi, frekuensi tinggi, dan efisiensi tinggi. Berdasarkan bentuk kerja perangkat, perangkat elektronika daya SiC terutama meliputi dioda daya dan tabung sakelar daya. Dioda daya meliputi dioda Schottky penghalang persimpangan (JBS), dioda PiN, dan dioda superpersimpangan; tabung sakelar daya terutama meliputi tabung sakelar efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET), tabung sakelar efek medan persimpangan (JFET), tabung sakelar bipolar (BJT), transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT), thyristor pemutus gerbang (GTO), dan thyristor pemutus emitor (ETO), dll.

2. Keunggulan teknis

Sifat-sifat unggul semikonduktor silikon karbida menjadikan perangkat elektronik daya berbasis silikon karbida memiliki keunggulan luar biasa berikut dibandingkan dengan perangkat silikon:

(1) Memiliki resistansi on yang lebih rendah. Pada tegangan tembus rendah (sekitar 50V), resistansi on spesifik perangkat silikon karbida hanya 1.12uΩ, yang merupakan sekitar 1/100 dari perangkat silikon sejenis. Pada tegangan tembus tinggi (sekitar 5kV), resistansi on spesifik meningkat menjadi 25.9mΩ, yang merupakan sekitar 1/300 dari perangkat silikon sejenis. Resistansi on yang lebih rendah memungkinkan perangkat elektronik daya silikon karbida memiliki kerugian konduksi yang lebih kecil, sehingga mencapai efisiensi mesin keseluruhan yang lebih tinggi.

(2) Has higher breakdown voltage. For example: Commercial silicon Schottky diodes usually have a voltage rating of less than 300V, but the voltage rating of the first commercial silicon carbide Schottky diode has reached 600V; the voltage rating of the first commercial silicon carbide MOSFET is 1200V, while most commonly used silicon MOSFETs are below 1kV.

(3) Resistansi termal sambungan-casing yang lebih rendah membuat suhu perangkat naik lebih lambat.

(4) Suhu operasi maksimum yang lebih tinggi. Stabilitas operasi ekstrem silikon karbida diharapkan mencapai lebih dari 600°C, sedangkan suhu sambungan maksimum perangkat silikon hanya 150°C.

(5) Stronger radiation resistance, which can reduce the weight of radiation shielding equipment when used in aviation and other fields.

(6) Higher stability, the forward and reverse characteristics of silicon carbide devices change very little with temperature.

(7) Lower cheating loss. Silicon carbide devices have small switching losses and can operate at higher switching frequencies (>20kHz) that are difficult to achieve with silicon devices at power levels of tens of kilowatts.

3. Kategori utama

(1) Dioda Schottky silikon karbida

Sebagai perangkat unipolar, Dioda Penghalang Schottky (SBD) tidak memiliki injeksi dan penyimpanan pembawa tambahan selama proses konduksi, sehingga pada dasarnya tidak ada arus pemulihan balik. Proses pemutusannya sangat cepat dan kerugian switching sangat kecil. Namun, penghalang Schottky silikon rendah, arus bocor balik SBD silikon relatif besar, dan tegangan blokirnya rendah. Dioda ini hanya dapat digunakan dalam situasi tegangan rendah, yaitu satu hingga dua ratus volt. Dioda PiN biasanya digunakan dalam situasi dengan tegangan lebih tinggi, tetapi arus pemulihan baliknya besar dan kerugian switchingnya besar. Karena kekuatan medan listrik tembus longsoran kritis yang tinggi dari material silikon karbida, relatif mudah untuk menghasilkan SBD silikon karbida dengan tegangan tembus balik melebihi 1000V.

Berdasarkan keunggulan unik SiC ini, produsen perangkat semikonduktor seperti Cree memproduksi produk dioda Schottky SiC tegangan tinggi dengan tingkat arus perangkat tunggal 1-20A dan tingkat tegangan 300V, 600V, dan 1200V. Tabel 1 menunjukkan produsen SBD silikon karbida internasional utama saat ini dan tingkat perangkat komersial mereka. Cree baru saja meluncurkan SBD silikon karbida tingkat tegangan 1700V terbarunya. Dalam aplikasi switching tegangan tinggi, dioda Schottky SiC memberikan kinerja yang hampir ideal. Dioda ini hampir tidak memiliki tegangan pemulihan maju, sehingga dapat langsung menyala. Tidak seperti kapasitansi persimpangan, muatan yang tersimpan juga sangat kecil, dan dapat dimatikan dengan cepat.

(2) Transistor daya silikon karbida

American SemiSouth Company telah melakukan penelitian mendalam tentang JFET silikon karbida dan saat ini merupakan pemasok utama perangkat JFET silikon karbida komersial di dunia. Tegangan maksimum produk SiC JFET-nya mencapai 1700V dan arus maksimumnya adalah 30A.

Karena karakteristik unggul dan aplikasi yang sukses dari MOSFET silikon, MOSFET silikon karbida telah menjadi perangkat paling populer dalam penelitian perangkat elektronik daya silikon karbida. Perusahaan Amerika, Cree, memimpin dalam membuat terobosan dalam penelitian MOSFET silikon karbida dan meluncurkan dua produk MOSFET silikon karbida komersial, 10A/1200V dan 20A/1200V, menjadi satu-satunya produsen di dunia yang menyediakan MOSFET silikon karbida diskrit komersial. Perusahaan Rohm Jepang juga aktif mempromosikan proses komersialisasi MOSFET silikon karbidanya. DMOSFET N-channel SiC awal ini terutama ditargetkan untuk aplikasi 1200V. MOSFET SiC pada tingkat tegangan ini memiliki keunggulan yang lebih besar daripada perangkat Si saat ini.

02

Status pengembangan perangkat silikon karbida di luar negeri 1. Amerika Serikat

As early as 1997, in the "National Defense and Science Plan" formulated, the United States clearly defined the development goals of wide-bandgap semiconductors. In 2014, President Obama personally led the establishment of the third-generation wide-bandgap semiconductor industry alliance represented by SiC to fully support wide-bandgap semiconductor technology to lead technological innovation in the next generation of power electronics manufacturing. The alliance has currently received a total of US$140 million in support from federal and local governments. It plans to make wide-bandgap semiconductor technology competitive with current silicon-based power electronics technology in terms of cost in the next five years, becoming the next generation of energy-saving, efficient and high-power power electronic chips and devices. It will lead many of the world's largest and fastest-growing industrial markets, including consumer electronics, industrial equipment, communications, clean energy, etc., comprehensively enhance international competitiveness and create high-paying jobs.

2. Jepang

Since 1998, the Japanese government has continued to fund research on wide-bandgap semiconductor technology. In 2013, Japan included the SiC material system in the "Prime Minister's Strategy", believing that 50% of energy savings in the future will be achieved through SiC devices in order to create a new era of clean energy. In recent years, Japan's New Energy Industrial Technology Development Organization (NEDO) has launched a research plan related to SiC power electronic devices, focusing on the application of SiC power modules in railway locomotive circuit systems, diverse power exchange systems, power generation and electric integrated turbocharger waste heat recovery systems, cutting-edge medical equipment and accelerator miniaturization, in order to achieve the goals of energy conservation and efficiency improvement.

3. Uni Eropa

Pada tahun 2014, Uni Eropa meluncurkan program penelitian teknologi daya SiC selama tiga tahun (2014-2017) untuk sistem daya efisiensi tinggi (SPEED), dengan total investasi sebesar 18.58 juta euro. 12 lembaga penelitian dan perusahaan di 7 negara berpartisipasi dalam program ini. Tujuan dari program ini adalah untuk bersama-sama menguasai teknologi perangkat elektronik daya SiC dengan menyatukan produsen dan peneliti terkemuka dunia, mengatasi hambatan teknis di seluruh rantai industri perangkat elektronik daya SiC, dan mencapai aplikasi yang luas di bidang energi terbarukan. Pada tahun 2015, Kementerian Riset Federal Jerman mendanai Institut Teknologi Karlsruhe dan mitra industri (jumlah pendanaan sebesar 800,000 euro) untuk melakukan penelitian tentang peningkatan efisiensi energi catu daya frekuensi tinggi berdasarkan perangkat switching SiC untuk meningkatkan efisiensi energi catu daya dalam produksi industri, mengurangi konsumsi energi, dan mengurangi emisi CO2. 03

Status pengembangan perangkat silikon karbida di Tiongkok

1. Tyco Tianrun

Tyco Tianrun didirikan pada tahun 2011. Lini produknya meliputi produk teknologi inti dasar, produk cetakan silikon karbida, dan berbagai solusi industri. Produk inti dasarnya diwakili oleh dioda Schottky silikon karbida.

Pada tahun 2015, Tyco Tianrun mengumumkan peluncuran produk dioda Schottky silikon karbida daya tinggi 3300V/50A. Menurut laporan, produk tersebut memiliki fitur seperti penurunan tegangan maju yang rendah, kecepatan peralihan yang cepat, dan konduktivitas termal yang sangat baik, serta cocok untuk bidang-bidang kelas atas seperti transportasi kereta api dan jaringan listrik pintar.

Menurut laporan, penurunan tegangan maju tipikal dari dioda Schottky silikon karbida daya tinggi 3300V/50A adalah 2.22V (IF=50A, Tj=25℃) dan 4.75V (IF=50A, Tj=175℃); arus bocor balik tipikal adalah 120uA (VR=3300V, Tj=25℃), 200uA (VR=3300V, Tj=175℃); memaksimalkan keandalan di lingkungan listrik yang keras; dapat beroperasi normal dalam kisaran suhu -55℃ hingga 175℃. Produk tersedia sebagai chip telanjang tanpa kemasan, dan jenis kemasan perangkat dapat disesuaikan sesuai dengan kebutuhan pelanggan.

2. Semikonduktor Dasar Shenzhen

Shenzhen Basic Semiconductor was established in 2016, focusing on the R&D and industrialization of silicon carbide power devices. It is one of the initiators of the Shenzhen Third Generation Semiconductor Research Institute. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. has long been focusing on the research and development of SiC power devices. Its main products include SiC diodes, SiC MOSFETs and automotive-grade full SiC MOSFET modules, which are widely used in new energy power generation, new energy vehicles, rail transit and smart grids.

MOSFET silikon karbida 1200V yang secara resmi dirilis oleh Basic Semiconductor pada Oktober 2018 adalah produk kelas industri pertama yang dirancang secara independen oleh perusahaan Tiongkok dan telah lulus uji keandalan. Kinerjanya telah mencapai tingkat terdepan internasional, dan waktu tahan korsletingnya mencapai 6μs.

3. Teknologi Yangjie

Yangjie Technology specializes in industrial development in the fields of power semiconductor chip and device manufacturing, integrated circuit packaging and testing. Its main products are various power electronic device chips, power diodes, rectifier bridges, high-power modules, DFN/QFN products, SGTMOS, silicon carbide SBD, silicon carbide JBS, etc. Products are widely used in consumer electronics, security, industrial control, automotive electronics, new energy and many other fields.

The official website of Yangjie Technology shows that there are currently 4 silicon carbide Schottky modules, the models are MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ, and MB40DU12FJ. If you look at the Datasheet, you can know that the model MB200DU01FJ can be used in electroplating power supplies, high-frequency power supplies, high-current switching power supplies, reverse battery protection, welding machines and other scenarios.

3. Inti rambut mengkilap dan lembap

Founded in March 2016, Xinguang Runze is a high-tech enterprise specializing in the R&D and manufacturing of third-generation semiconductor SiC power devices and modules. On September 18, 2018, Xinguangrunze's first domestic silicon carbide intelligent power module (SiCIPM) production line was officially put into production. The project officially started construction in December 2016. It is understood that after the production line is put into stable production, the monthly production scale can reach 300,000 and the annual production can reach 3.6 million. The company currently has silicon carbide products including silicon carbide SBD and silicon carbide MOSFET. For example, XGSCS1230SWA is one of the models of silicon carbide SBD, which can meet the voltage requirement of 1200V. The applicable scenarios are switching power supply, power factor correction, power inverter, uninterruptible power supply (UPS), motor drive, etc.

4. Ruineng Semiconductor

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. is a high-tech joint venture established by NXP Semiconductors and Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor has been focusing on developing an industry-leading, broad and deep bipolar power semiconductor product portfolio, including silicon controlled rectifiers and triacs, silicon power diodes, high-voltage transistors and silicon carbide diodes. The company's silicon carbide diodes are mainly used in industries, servers, air conditioners and other fields. From the official website, we learned that Ruineng Semiconductor has 25 silicon carbide diode models, all of which can meet the voltage requirement of 650V, such as the model NXPSC16650B, which can be used in power factor correction, switch mode power supplies, uninterruptible power supplies (UPS), photovoltaic inverters, LED/OLED TVs, motor drives and other scenarios.

5. Shanghai Zhanxin Elektronik

Shanghai Zhanxin Electronics berkomitmen untuk mengembangkan chip daya dan produk modul yang hemat biaya dengan perangkat daya silikon karbida sebagai intinya, menyediakan solusi semikonduktor lengkap untuk miniaturisasi, efisiensi, dan bobot ringan dari catu daya dan sistem penggerak listrik.

Pada Oktober 2017, proses manufaktur MOSFET silikon karbida (SiC) diselesaikan pada jalur produksi massal 6 inci yang sudah mapan. Hasil pengujian tingkat wafer menunjukkan bahwa berbagai parameter listrik memenuhi harapan, meletakkan dasar yang kuat untuk optimalisasi lebih lanjut dari proses dan desain perangkat. Pada 1 Mei 2018, wafer MOSFET SiC 6 inci pertama buatan dalam negeri resmi lahir.

04

Aplikasi umum perangkat silikon karbida: 1. Infrastruktur 5G - catu daya komunikasi

Communication power supply is the energy bank for server and base station communications. It provides power for various transmission equipment and ensures the normal operation of the communication system. The high-frequency characteristics of silicon carbide MOSFET make the magnetic unit in the power circuit smaller and lighter, and the overall power supply efficiency is higher; the reverse recovery characteristics of silicon carbide Schottky diode are almost zero, making it have broad application prospects in many PFC circuits. For example, in the 3kW high-efficiency communication power supply bridgeless interleaved PFC circuit, the use of 650V/10A silicon carbide Schottky diodes can help customers achieve high technical requirements of full load efficiency greater than or equal to 95%.

2. Tiang pengisian daya kendaraan energi baru - modul daya tiang pengisian daya

Perkembangan pesat industri kendaraan energi baru telah mendorong pertumbuhan permintaan akan tiang pengisian daya. Untuk kendaraan listrik energi baru, peningkatan kecepatan pengisian daya dan pengurangan biaya pengisian daya merupakan dua tujuan utama pengembangan industri. Penggunaan perangkat silikon karbida dalam modul daya tiang pengisian daya dapat mencapai efisiensi tinggi dan daya tinggi pada modul daya tiang pengisian daya, sehingga meningkatkan kecepatan pengisian daya dan mengurangi biaya pengisian daya.

3. Pusat data besar, internet industri - catu daya server

Catu daya server adalah bank energi server. Server menyediakan daya untuk memastikan pengoperasian normal sistem server. Penggunaan perangkat daya silikon karbida dalam catu daya server dapat meningkatkan kepadatan daya dan efisiensi catu daya server, mengurangi ukuran keseluruhan pusat data, mengurangi biaya konstruksi keseluruhan pusat data, dan mencapai efisiensi lingkungan yang lebih tinggi. Misalnya, dalam modul daya server 3kW, penggunaan MOSFET silikon karbida dalam PFC totem pole dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi catu daya server dan mencapai persyaratan efisiensi yang lebih tinggi.

4. Tegangan ultra tinggi - aplikasi pemutus sirkuit DC transmisi fleksibel

Sebagai proyek sistem berskala besar, UHV akan memicu serangkaian permintaan akan bahan baku dan komponen. Perangkat daya merupakan komponen kunci dari teknologi transmisi fleksibel FACTS dalam transmisi DC UHV di ujung transmisi dan transformator daya elektronik (PET) di ujung gardu induk. Sebagai salah satu bagian kunci dari transmisi DC fleksibel, keandalan pemutus sirkuit DC memiliki dampak besar pada stabilitas seluruh sistem transmisi. Penggunaan perangkat berbasis silikon tradisional untuk mendesain pemutus sirkuit DC membutuhkan sub-unit multi-level yang dihubungkan secara seri. Penggunaan perangkat silikon karbida tegangan tinggi dalam pemutus sirkuit DC dapat sangat mengurangi jumlah sub-unit seri, yang merupakan arah utama penelitian industri.

5. Intercity high-speed rail and intercity rail transit - traction converter, power electronic transformer, auxiliary converter, auxiliary power supply

Transportasi kereta api di masa depan akan menuntut persyaratan yang lebih tinggi dari perangkat elektronik daya, seperti konverter traksi, konverter tegangan elektronik daya, dan lain-lain. Penggunaan perangkat daya silikon karbida dapat sangat meningkatkan kepadatan daya dan efisiensi kerja perangkat ini, yang akan membantu mengurangi beban sistem transportasi kereta api secara signifikan. Perangkat silikon karbida dapat mencapai efisiensi tinggi dan miniaturisasi peralatan yang lebih lanjut, serta memiliki keunggulan teknis yang besar dalam transportasi kereta api. Shinkansen N700S Jepang telah mempelopori penggunaan perangkat daya silikon karbida dalam konverter traksi, secara signifikan mengurangi berat kendaraan, mencapai efisiensi pengangkutan yang lebih tinggi, dan mengurangi biaya operasional.

05

Kesimpulan Meskipun perangkat elektronik daya silikon karbida masih memiliki masalah seperti output rendah, harga tinggi, sedikit jenis perangkat komersial, dan kurangnya kemasan suhu tinggi, dengan semakin mendalamnya penelitian tentang teknologi perangkat elektronik daya silikon karbida, masalah-masalah ini akan secara bertahap teratasi. Lebih banyak dan lebih baik perangkat elektronik daya silikon karbida komersial akan diperkenalkan ke pasar, yang akan sangat memperluas bidang aplikasi perangkat elektronik daya silikon karbida. Dalam waktu dekat, perangkat daya silikon karbida akan menjadi perangkat kunci untuk mengurangi kehilangan daya, meningkatkan efisiensi dan kepadatan daya dalam berbagai aplikasi konverter.

Catatan: Artikel ini direproduksi dari internet dan mendukung perlindungan hak kekayaan intelektual. Harap sebutkan sumber dan penulis asli saat mencetak ulang. Jika ada pelanggaran, silakan hubungi kami untuk menghapusnya.

Nomor telepon perusahaan: +86-0755-83044319
Faks/FAX: +86-0755-83975897
Surel: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Manajer Li

QQ: 332496225 Manajer Qiu

Alamat: Ruang 809, Gedung C, Gedung Teknologi Zhantao, No. 1079 Jalan Minzhi, Distrik Baru Longhua, Shenzhen