Generasi ketiga semikonduktor jurang jalur lebar yang diwakili oleh silikon karbida boleh beroperasi secara normal dalam persekitaran suhu, voltan dan frekuensi yang lebih tinggi, sambil menggunakan kuasa yang lebih sedikit dan mempunyai ketahanan dan kebolehpercayaan yang lebih tinggi. Ia akan menyediakan peluang lompatan untuk generasi seterusnya bagi produk elektronik kuasa yang lebih kecil, lebih pantas, berkos lebih rendah dan berkecekapan lebih tinggi.

Kemajuan dan perindustrian teknologi peranti elektronik kuasa silikon karbida akan membuka aplikasi baharu dalam sistem kuasa voltan tinggi dan mempunyai impak yang mendalam terhadap transformasi sistem kuasa. Ciri-ciri kecekapan tinggi, voltan tinggi, suhu tinggi dan frekuensi tinggi yang cemerlang bagi peranti elektronik kuasa silikon karbida memberikannya potensi aplikasi yang hebat dalam bidang perkakas rumah, penjimatan tenaga motor, kenderaan elektrik, grid pintar, aeroangkasa, penerokaan minyak, automasi, radar dan komunikasi.

Pengenalan kepada peranti elektronik kuasa silikon karbida

1. Definition of silicon carbide (SiC)

Peranti elektronik kuasa silikon karbida (SiC) merujuk kepada peranti elektronik kuasa jurang jalur lebar yang diperbuat daripada bahan semikonduktor generasi ketiga SiC. Ia mempunyai ciri-ciri rintangan suhu tinggi, frekuensi tinggi dan kecekapan tinggi. Mengikut bentuk kerja peranti, peranti elektronik kuasa SiC terutamanya merangkumi diod kuasa dan tiub pensuisan kuasa. Diod kuasa merangkumi diod penghalang simpang Schottky (JBS), diod PiN dan diod supersimpang; tiub pensuisan kuasa terutamanya merangkumi tiub pensuisan kesan medan semikonduktor oksida logam (MOSFET), tiub pensuisan kesan medan simpang (JFET), tiub pensuisan dwikutub (BJT), transistor dwikutub get bertebat (IGBT), tirostor pemutus get (GTO) dan tirostor pemutus pemancar (ETO), dan sebagainya.

2. Kelebihan teknikal

Sifat-sifat cemerlang semikonduktor silikon karbida menjadikan peranti elektronik kuasa berasaskan silikon karbida mempunyai kelebihan berikut berbanding peranti silikon:

(1) Mempunyai rintangan aktif yang lebih rendah. Di bawah voltan kerosakan rendah (kira-kira 50V), rintangan aktif khusus peranti silikon karbida hanya 1.12uΩ, iaitu kira-kira 1/100 peranti silikon yang serupa. Di bawah voltan kerosakan tinggi (kira-kira 5kV), rintangan aktif khusus meningkat kepada 25.9mΩ, iaitu kira-kira 1/300 peranti silikon yang serupa. Rintangan aktif yang lebih rendah membolehkan peranti elektronik kuasa silikon karbida mempunyai kehilangan konduksi yang lebih kecil, sekali gus mencapai kecekapan mesin keseluruhan yang lebih tinggi.

(2) Mempunyai voltan kerosakan yang lebih tinggi. Contohnya: Diod Schottky silikon komersial biasanya mempunyai penarafan voltan kurang daripada 300V, tetapi penarafan voltan diod Schottky silikon karbida komersial pertama telah mencapai 600V; penarafan voltan MOSFET silikon karbida komersial pertama ialah 1200V, manakala MOSFET silikon yang paling biasa digunakan adalah di bawah 1kV.

(3) Rintangan haba kes simpang yang lebih rendah menjadikan suhu peranti meningkat lebih perlahan.

(4) Suhu operasi muktamad yang lebih tinggi. Kestabilan operasi silikon karbida yang melampau dijangka mencapai lebih daripada 600°C, manakala suhu simpang maksimum peranti silikon hanya 150°C.

(5) Rintangan sinaran yang lebih kuat, yang boleh mengurangkan berat peralatan pelindung sinaran apabila digunakan dalam penerbangan dan bidang lain.

(6) Kestabilan yang lebih tinggi, ciri-ciri hadapan dan belakang peranti silikon karbida berubah sangat sedikit dengan suhu.

(7) Kehilangan penipuan yang lebih rendah. Peranti silikon karbida mempunyai kehilangan pensuisan yang kecil dan boleh beroperasi pada frekuensi pensuisan yang lebih tinggi (>20kHz) yang sukar dicapai dengan peranti silikon pada tahap kuasa puluhan kilowatt.

3. Kategori utama

(1) Diod Schottky silikon karbida

Sebagai peranti unipolar, Diod Penghalang Schottky (SBD) tidak mempunyai suntikan dan penyimpanan pembawa tambahan semasa proses pengaliran, jadi pada asasnya tiada arus pemulihan songsang. Proses pemadamannya sangat cepat dan kehilangan pensuisannya sangat kecil. Walau bagaimanapun, penghalang Schottky silikon adalah rendah, arus kebocoran songsang SBD silikon agak besar, dan voltan penyekatannya rendah. Ia hanya boleh digunakan dalam situasi voltan rendah satu hingga dua ratus volt. Diod PiN biasanya digunakan dalam situasi dengan voltan yang lebih tinggi, tetapi arus pemulihan songsangnya adalah besar dan kehilangan pensuisannya adalah besar. Disebabkan kekuatan medan elektrik kerosakan avalanche kritikal yang tinggi bagi bahan silikon karbida, agak mudah untuk menghasilkan SBD silikon karbida dengan voltan kerosakan songsang melebihi 1000V.

Berdasarkan kelebihan unik SiC ini, pengeluar peranti semikonduktor seperti Cree menghasilkan produk diod SiC Schottky voltan tinggi dengan aras arus peranti tunggal 1-20A dan aras voltan 300V, 600V dan 1200V. Jadual 1 menunjukkan pengeluar SBD silikon karbida antarabangsa utama semasa dan aras peranti komersial mereka. Cree baru sahaja melancarkan SBD silikon karbida aras voltan 1700V terkini. Dalam aplikasi pensuisan voltan tinggi, diod SiC Schottky memberikan prestasi hampir ideal. Ia hampir tidak mempunyai voltan pemulihan ke hadapan, jadi ia boleh hidup serta-merta. Tidak seperti kapasitans simpang, cas tersimpannya juga sangat kecil, dan ia boleh dimatikan dengan cepat.

(2) Silicon carbide power transistor

Syarikat American SemiSouth telah menjalankan penyelidikan mendalam mengenai JFET silikon karbida dan kini merupakan pembekal utama peranti JFET silikon karbida komersial di dunia. Kadar voltan maksimum produk SiC JFETnya mencapai 1700V dan kadar arus maksimum ialah 30A.

Disebabkan oleh ciri-ciri unggul dan aplikasi MOSFET silikon yang berjaya, MOSFET silikon karbida telah menjadi peranti paling popular dalam penyelidikan peranti elektronik kuasa silikon karbida. Syarikat Amerika Cree menerajui dalam membuat penemuan baharu dalam penyelidikan MOSFET silikon karbida dan melancarkan dua produk MOSFET silikon karbida komersial, 10A/1200V dan 20A/1200V, menjadi satu-satunya pengeluar di dunia yang menyediakan MOSFET silikon karbida diskret komersial. Rohm Corporation Jepun juga secara aktif mempromosikan proses pengkomersialan MOSFET silikon karbidanya. DMOSFET saluran-N SiC awal ini terutamanya disasarkan pada aplikasi 1200V. MOSFET SiC pada tahap voltan ini mempunyai kelebihan yang lebih besar daripada peranti Si semasa.

02

Status pembangunan peranti silikon karbida di luar negara 1. Amerika Syarikat

Seawal tahun 1997, dalam "Pelan Pertahanan dan Sains Negara" yang digubal, Amerika Syarikat telah menetapkan matlamat pembangunan semikonduktor jurang jalur lebar dengan jelas. Pada tahun 2014, Presiden Obama secara peribadi mengetuai penubuhan pakatan industri semikonduktor jurang jalur lebar generasi ketiga yang diwakili oleh SiC untuk menyokong sepenuhnya teknologi semikonduktor jurang jalur lebar bagi menerajui inovasi teknologi dalam generasi pembuatan elektronik kuasa seterusnya. Pakatan ini kini telah menerima sejumlah AS$140 juta sokongan daripada kerajaan persekutuan dan tempatan. Ia merancang untuk menjadikan teknologi semikonduktor jurang jalur lebar berdaya saing dengan teknologi elektronik kuasa berasaskan silikon semasa dari segi kos dalam tempoh lima tahun akan datang, menjadi generasi cip dan peranti elektronik kuasa yang menjimatkan tenaga, cekap dan berkuasa tinggi seterusnya. Ia akan menerajui banyak pasaran perindustrian terbesar dan paling pesat berkembang di dunia, termasuk elektronik pengguna, peralatan perindustrian, komunikasi, tenaga bersih, dan sebagainya, meningkatkan daya saing antarabangsa secara menyeluruh dan mewujudkan pekerjaan bergaji tinggi.

2. Jepun

Sejak tahun 1998, kerajaan Jepun terus membiayai penyelidikan mengenai teknologi semikonduktor jurang jalur lebar. Pada tahun 2013, Jepun memasukkan sistem bahan SiC dalam "Strategi Perdana Menteri", dengan kepercayaan bahawa 50% penjimatan tenaga pada masa hadapan akan dicapai melalui peranti SiC untuk mewujudkan era baharu tenaga bersih. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Pertubuhan Pembangunan Teknologi Perindustrian Tenaga Baharu Jepun (NEDO) telah melancarkan pelan penyelidikan berkaitan peranti elektronik kuasa SiC, yang memberi tumpuan kepada aplikasi modul kuasa SiC dalam sistem litar lokomotif kereta api, sistem pertukaran kuasa yang pelbagai, penjanaan kuasa dan sistem pemulihan haba sisa pengecas turbo bersepadu elektrik, peralatan perubatan canggih dan pengecilan pemecut, untuk mencapai matlamat penjimatan tenaga dan peningkatan kecekapan.

3. Kesatuan Eropah

In 2014, the European Union launched a three-year (2014-2017) SiC power technology research program for high-efficiency power systems (SPEED), with a total investment of 18.58 million euros. 12 research institutions and companies in 7 countries participated in the plan. The goal of this plan is to jointly conquer SiC power electronic device technology by bringing together the world's leading manufacturers and researchers, break through the technical bottleneck of the entire SiC power electronic device industry chain, and achieve widespread application in the field of renewable energy. In 2015, the German Federal Research Ministry funded Karlsruhe Institute of Technology and industrial partners (funding amount of 800,000 euros) to conduct research on improving the energy efficiency of high-frequency power supplies based on SiC switching devices to improve the energy efficiency of power supplies in industrial production, reduce energy consumption and reduce CO2 emissions. 03

Status pembangunan peranti silikon karbida di China

1. Tyco Tianrun

Tyco Tianrun ditubuhkan pada tahun 2011. Barisan produknya melibatkan produk teknologi teras asas, produk acuan silikon karbida dan pelbagai set penyelesaian industri. Produk teras asas diwakili oleh diod Schottky silikon karbida.

Pada tahun 2015, Tyco Tianrun mengumumkan pelancaran produk diod Schottky silikon karbida berkuasa tinggi 3300V/50A. Menurut laporan, produk ini mempunyai ciri-ciri seperti penurunan voltan ke hadapan yang rendah, kelajuan pensuisan yang pantas dan kekonduksian terma yang sangat baik, serta sesuai untuk bidang mewah seperti transit kereta api dan grid pintar.

Menurut laporan, penurunan voltan hadapan biasa bagi diod Schottky silikon karbida berkuasa tinggi 3300V/50A ialah 2.22V (IF=50A, Tj=25℃) dan 4.75V (IF=50A, Tj=175℃); arus kebocoran songsang biasa ialah Nilai ialah 120uA (VR=3300V, Tj=25℃), 200uA (VR=3300V, Tj=175℃); memaksimumkan kebolehpercayaan dalam persekitaran elektrik yang keras; boleh beroperasi secara normal dalam julat suhu -55℃ hingga 175℃. Produk boleh didapati sebagai cip kosong tanpa bungkusan, dan jenis pembungkusan peranti boleh disesuaikan mengikut keperluan pelanggan.

2. Semikonduktor Asas Shenzhen

Shenzhen Basic Semiconductor ditubuhkan pada tahun 2016, dengan tumpuan kepada R&D dan perindustrian peranti kuasa silikon karbida. Ia merupakan salah satu pencetus Institut Penyelidikan Semikonduktor Generasi Ketiga Shenzhen. Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. telah lama menumpukan pada penyelidikan dan pembangunan peranti kuasa SiC. Produk utamanya termasuk diod SiC, MOSFET SiC dan modul MOSFET SiC penuh gred automotif, yang digunakan secara meluas dalam penjanaan kuasa tenaga baharu, kenderaan tenaga baharu, transit rel dan grid pintar.

MOSFET silikon karbida 1200V yang dikeluarkan secara rasmi oleh Basic Semiconductor pada Oktober 2018 merupakan produk gred perindustrian pertama yang direka bentuk secara bebas oleh sebuah syarikat China dan lulus ujian kebolehpercayaan. Prestasinya telah mencapai tahap peneraju antarabangsa, dan masa ketahanan litar pintas adalah selama 6μs.

3. Teknologi Yangjie

Yangjie Technology mengkhusus dalam pembangunan perindustrian dalam bidang pembuatan cip dan peranti semikonduktor kuasa, pembungkusan dan pengujian litar bersepadu. Produk utamanya ialah pelbagai cip peranti elektronik kuasa, diod kuasa, jambatan penerus, modul berkuasa tinggi, produk DFN/QFN, SGTMOS, SBD silikon karbida, JBS silikon karbida, dan sebagainya. Produk digunakan secara meluas dalam elektronik pengguna, keselamatan, kawalan perindustrian, elektronik automotif, tenaga baharu dan banyak bidang lain.

Laman web rasmi Yangjie Technology menunjukkan bahawa terdapat 4 modul Schottky silikon karbida pada masa ini, modelnya ialah MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ, dan MB40DU12FJ. Jika anda melihat Helaian Data, anda boleh mengetahui bahawa model MB200DU01FJ boleh digunakan dalam bekalan kuasa penyaduran elektrik, bekalan kuasa frekuensi tinggi, bekalan kuasa pensuisan arus tinggi, perlindungan bateri terbalik, mesin kimpalan dan senario lain.

3. Teras berkilat dan lembap

Ditubuhkan pada Mac 2016, Xinguang Runze ialah sebuah perusahaan berteknologi tinggi yang mengkhusus dalam R&D dan pembuatan peranti dan modul kuasa SiC semikonduktor generasi ketiga. Pada 18 September 2018, barisan pengeluaran modul kuasa pintar silikon karbida domestik pertama Xinguangrunze (SiCIPM) telah secara rasminya dimulakan pengeluarannya. Projek ini secara rasminya memulakan pembinaan pada Disember 2016. Difahamkan bahawa selepas barisan pengeluaran dimasukkan ke dalam pengeluaran yang stabil, skala pengeluaran bulanan boleh mencapai 300,000 dan pengeluaran tahunan boleh mencapai 3.6 juta. Syarikat ini kini mempunyai produk silikon karbida termasuk SBD silikon karbida dan MOSFET silikon karbida. Contohnya, XGSCS1230SWA ialah salah satu model SBD silikon karbida, yang boleh memenuhi keperluan voltan 1200V. Senario yang berkenaan ialah bekalan kuasa pensuisan, pembetulan faktor kuasa, penyongsang kuasa, bekalan kuasa tidak terganggu (UPS), pemacu motor, dan sebagainya.

4. Semikonduktor Ruineng

Ruineng Semiconductor Co., Ltd. ialah usaha sama berteknologi tinggi yang ditubuhkan oleh NXP Semiconductors dan Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. Ruineng Semiconductor telah menumpukan pada pembangunan portfolio produk semikonduktor kuasa dwikutub yang luas dan mendalam yang terkemuka dalam industri, termasuk penerus dan triac terkawal silikon, diod kuasa silikon, transistor voltan tinggi dan diod silikon karbida. Diod silikon karbida syarikat digunakan terutamanya dalam industri, pelayan, penghawa dingin dan bidang lain. Daripada laman web rasmi, kami mengetahui bahawa Ruineng Semiconductor mempunyai 25 model diod silikon karbida, yang semuanya boleh memenuhi keperluan voltan 650V, seperti model NXPSC16650B, yang boleh digunakan dalam pembetulan faktor kuasa, bekalan kuasa mod suis, bekalan kuasa tidak terganggu (UPS), penyongsang fotovoltaik, TV LED/OLED, pemacu motor dan senario lain.

5. Shanghai Zhanxin Electronics

Shanghai Zhanxin Electronics komited untuk membangunkan cip kuasa dan produk modul yang kos efektif dengan peranti kuasa silikon karbida sebagai terasnya, menyediakan penyelesaian semikonduktor lengkap untuk pengecilan, kecekapan dan ringannya bekalan kuasa dan sistem pemacu elektrik.

Pada Oktober 2017, proses pembuatan MOSFET silikon karbida (SiC) telah disiapkan pada barisan pengeluaran proses 6-inci yang dihasilkan secara besar-besaran. Keputusan ujian tahap wafer menunjukkan bahawa pelbagai parameter elektrik memenuhi jangkaan, meletakkan asas yang kukuh untuk pengoptimuman selanjutnya bagi reka bentuk proses dan peranti. Pada 1 Mei 2018, wafer MOSFET SiC 6-inci domestik pertama telah dilahirkan secara rasmi.

04

Aplikasi tipikal peranti silikon karbida 1. Infrastruktur 5G - bekalan kuasa komunikasi

Bekalan kuasa komunikasi ialah bank tenaga untuk komunikasi pelayan dan stesen pangkalan. Ia membekalkan kuasa untuk pelbagai peralatan penghantaran dan memastikan operasi normal sistem komunikasi. Ciri-ciri frekuensi tinggi MOSFET silikon karbida menjadikan unit magnet dalam litar kuasa lebih kecil dan lebih ringan, dan kecekapan bekalan kuasa keseluruhan lebih tinggi; ciri pemulihan terbalik diod silikon karbida Schottky hampir sifar, menjadikannya mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam banyak litar PFC. Contohnya, dalam litar PFC selang-seli bekalan kuasa komunikasi berkecekapan tinggi 3kW, penggunaan diod silikon karbida Schottky 650V/10A boleh membantu pelanggan mencapai keperluan teknikal yang tinggi iaitu kecekapan beban penuh lebih besar daripada atau sama dengan 95%.

2. Cerucuk pengecasan kenderaan tenaga baharu - modul kuasa cerucuk pengecasan

Perkembangan pesat industri kenderaan tenaga baharu telah memacu pertumbuhan permintaan untuk tiang pengecasan. Bagi kenderaan elektrik tenaga baharu, peningkatan kelajuan pengecasan dan pengurangan kos pengecasan adalah dua matlamat utama pembangunan industri. Penggunaan peranti silikon karbida dalam modul kuasa cerucuk pengecasan boleh mencapai kecekapan tinggi dan kuasa tinggi modul kuasa cerucuk pengecasan, sekali gus meningkatkan kelajuan pengecasan dan mengurangkan kos pengecasan.

3. Pusat data besar, Internet perindustrian - bekalan kuasa pelayan

Bekalan kuasa pelayan ialah bank tenaga pelayan. Pelayan membekalkan kuasa untuk memastikan operasi normal sistem pelayan. Penggunaan peranti kuasa silikon karbida dalam bekalan kuasa pelayan boleh meningkatkan ketumpatan kuasa dan kecekapan bekalan kuasa pelayan, mengurangkan saiz keseluruhan pusat data, mengurangkan kos pembinaan keseluruhan pusat data, dan mencapai kecekapan alam sekitar yang lebih tinggi. Contohnya, dalam modul kuasa pelayan 3kW, penggunaan MOSFET silikon karbida dalam PFC tiang totem boleh meningkatkan kecekapan bekalan kuasa pelayan dengan ketara dan mencapai keperluan kecekapan yang lebih tinggi.

4. Voltan ultra tinggi - aplikasi pemutus litar DC penghantaran fleksibel

Sebagai projek sistem berskala besar, UHV akan mencetuskan beberapa permintaan untuk bahan mentah dan komponen. Peranti kuasa merupakan komponen utama teknologi penghantaran fleksibel FACTS dalam penghantaran DC UHV di hujung penghantaran dan transformer elektronik kuasa (PET) di hujung pencawang. Sebagai salah satu bahagian utama penghantaran DC fleksibel, kebolehpercayaan pemutus litar DC mempunyai impak yang besar terhadap kestabilan keseluruhan sistem penghantaran. Penggunaan peranti berasaskan silikon tradisional untuk mereka bentuk pemutus litar DC memerlukan subunit berbilang peringkat disambungkan secara bersiri. Penggunaan peranti silikon karbida voltan tinggi dalam pemutus litar DC boleh mengurangkan bilangan subunit siri dengan ketara, yang merupakan hala tuju utama penyelidikan industri.

5. Rel berkelajuan tinggi antara bandar dan transit rel antara bandar - penukar daya tarikan, transformer elektronik kuasa, penukar tambahan, bekalan kuasa tambahan

Transit rel masa hadapan akan mengenakan keperluan yang lebih tinggi pada peranti elektronik kuasa, seperti penukar daya tarikan, penukar voltan elektronik kuasa, dan sebagainya. Penggunaan peranti kuasa silikon karbida dapat meningkatkan ketumpatan kuasa dan kecekapan kerja peranti ini dengan ketara, yang akan membantu mengurangkan sistem galas beban transit rel dengan ketara. Peranti silikon karbida dapat mencapai kecekapan tinggi dan pengecilan peralatan selanjutnya, dan mempunyai kelebihan teknikal yang besar dalam pengangkutan rel. Shinkansen N700S Jepun telah menerajui penggunaan peranti kuasa silikon karbida dalam penukar daya tarikan, mengurangkan berat kenderaan dengan ketara, mencapai kecekapan pengangkutan yang lebih tinggi dan mengurangkan kos operasi.

05

Kesimpulan Walaupun peranti elektronik kuasa silikon karbida masih mempunyai masalah seperti output rendah, harga tinggi, beberapa jenis peranti komersial, dan kekurangan pembungkusan suhu tinggi, dengan pendalaman berterusan penyelidikan mengenai teknologi peranti elektronik kuasa silikon karbida, masalah ini akan diselesaikan secara beransur-ansur. Peranti elektronik kuasa silikon karbida komersial yang lebih banyak dan lebih baik akan diperkenalkan ke pasaran, yang akan mengembangkan bidang aplikasi peranti elektronik kuasa silikon karbida dengan ketara. Dalam masa terdekat, peranti kuasa silikon karbida akan menjadi peranti utama untuk mengurangkan kehilangan kuasa, meningkatkan kecekapan dan ketumpatan kuasa dalam pelbagai aplikasi penukar.

Nota: Artikel ini diterbitkan semula daripada Internet dan menyokong perlindungan hak harta intelek. Sila nyatakan sumber asal dan pengarang semasa mencetak semula. Jika terdapat sebarang pelanggaran, sila hubungi kami untuk memadamkannya.

Nombor telefon syarikat: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mel: 1615456225@qq.com
SQ: 3518641314 Pengurus Li

QQ: 332496225 Pengurus Qiu

Alamat: Bilik 809, Bangunan C, Bangunan Teknologi Zhantao, No. 1079 Minzhi Avenue, Daerah Baharu Longhua, Shenzhen