A terceira geração de semicondutores de banda larga, representada pelo carboneto de silício, pode operar normalmente em ambientes de temperatura, tensão e frequência mais elevadas, consumindo menos energia e apresentando maior durabilidade e confiabilidade. Isso proporcionará oportunidades de avanço significativo para a próxima geração de produtos eletrônicos de potência menores, mais rápidos, mais baratos e mais eficientes.

O avanço e a industrialização da tecnologia de dispositivos eletrônicos de potência de carboneto de silício abrirão novas aplicações em sistemas de energia de alta tensão e terão um impacto profundo na transformação do sistema elétrico. As excelentes características de alta eficiência, alta tensão, alta temperatura e alta frequência dos dispositivos eletrônicos de potência de carboneto de silício conferem-lhes grande potencial de aplicação em áreas como eletrodomésticos, economia de energia em motores, veículos elétricos, redes inteligentes, aeroespacial, exploração de petróleo, automação, radares e comunicações.

Introdução a dispositivos eletrônicos de potência de carboneto de silício

1. Definição de carbeto de silício (SiC)

Dispositivos eletrônicos de potência de carbeto de silício (SiC) referem-se a dispositivos eletrônicos de potência de banda larga fabricados com o material semicondutor de terceira geração SiC. Possuem características como alta resistência à temperatura, alta frequência e alta eficiência. De acordo com a forma de funcionamento do dispositivo, os dispositivos eletrônicos de potência de SiC incluem principalmente diodos de potência e transistores de potência. Os diodos de potência incluem diodos Schottky de barreira de junção (JBS), diodos PiN e diodos de superjunção; os transistores de potência incluem principalmente transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET), transistores de efeito de campo de junção (JFET), transistores bipolares (BJT), transistores bipolares de porta isolada (IGBT), tiristores de desligamento de porta (GTO) e tiristores de desligamento de emissor (ETO), etc.

2. Vantagens técnicas

As excelentes propriedades dos semicondutores de carbeto de silício conferem aos dispositivos eletrônicos de potência baseados em carbeto de silício as seguintes vantagens notáveis ​​em comparação com os dispositivos de silício:

(1) Apresenta menor resistência de condução. Sob baixa tensão de ruptura (cerca de 50 V), a resistência de condução específica de dispositivos de carbeto de silício é de apenas 1.12 µΩ, o que corresponde a cerca de 1/100 da resistência de dispositivos de silício similares. Sob alta tensão de ruptura (cerca de 5 kV), a resistência de condução específica aumenta para 25.9 mΩ, o que corresponde a cerca de 1/300 da resistência de dispositivos de silício similares. A menor resistência de condução permite que os dispositivos eletrônicos de potência de carbeto de silício apresentem menores perdas por condução, resultando em maior eficiência geral da máquina.

(2) Possui tensão de ruptura mais alta. Por exemplo: os diodos Schottky de silício comerciais geralmente têm uma classificação de tensão inferior a 300 V, mas a classificação de tensão do primeiro diodo Schottky de carbeto de silício comercial atingiu 600 V; a classificação de tensão do primeiro MOSFET de carbeto de silício comercial é de 1200 V, enquanto a maioria dos MOSFETs de silício comumente usados ​​são inferiores a 1 kV.

(3) Uma menor resistência térmica entre a junção e a carcaça faz com que a temperatura do dispositivo suba mais lentamente.

(4) Temperatura operacional final mais alta. Espera-se que a estabilidade operacional extrema do carbeto de silício atinja mais de 600°C, enquanto a temperatura máxima de junção dos dispositivos de silício é de apenas 150°C.

(5) Maior resistência à radiação, que pode reduzir o peso do equipamento de blindagem contra radiação quando usado na aviação e em outros campos.

(6) Maior estabilidade, as características direta e reversa dos dispositivos de carbeto de silício mudam muito pouco com a temperatura.

(7) Menor perda de trapaça. Os dispositivos de carbeto de silício têm pequenas perdas de comutação e podem operar em frequências de comutação mais altas (>20kHz) que são difíceis de alcançar com dispositivos de silício em níveis de potência de dezenas de quilowatts.

3. Categorias principais

(1) Diodo Schottky de carbeto de silício

Como um dispositivo unipolar, o diodo Schottky (SBD) não possui injeção e armazenamento adicionais de portadores durante o processo de condução, portanto, praticamente não apresenta corrente de recuperação reversa. Seu processo de desligamento é muito rápido e a perda de comutação é muito pequena. No entanto, a barreira Schottky do silício é baixa, a corrente de fuga reversa do SBD de silício é relativamente alta e a tensão de bloqueio é baixa. Ele só pode ser usado em situações de baixa tensão, de 1000 a 2000 V. Os diodos PiN são geralmente usados ​​em situações com tensões mais altas, mas sua corrente de recuperação reversa é alta e as perdas de comutação também são altas. Devido à alta intensidade do campo elétrico crítico de ruptura por avalanche dos materiais de carbeto de silício, é relativamente fácil produzir SBDs de carbeto de silício com uma tensão de ruptura reversa superior a 1000 V.

Com base nessas vantagens exclusivas do SiC, fabricantes de dispositivos semicondutores como a Cree produzem diodos Schottky de SiC de alta tensão com corrente de 1 a 20 A e tensões de 300 V, 600 V e 1200 V. A Tabela 1 mostra os principais fabricantes internacionais de diodos Schottky de carbeto de silício e o nível de seus dispositivos comerciais. A Cree acaba de lançar seu mais recente diodo Schottky de carbeto de silício com tensão de 1700 V. Em aplicações de chaveamento de alta tensão, os diodos Schottky de SiC oferecem desempenho quase ideal. Eles praticamente não possuem tensão de recuperação direta, o que permite a ativação imediata. Ao contrário da capacitância de junção, sua carga armazenada também é muito pequena, permitindo um desligamento rápido.

(2) Transistor de potência de carbeto de silício

A empresa americana SemiSouth realizou pesquisas aprofundadas sobre JFETs de carbeto de silício e atualmente é a principal fornecedora mundial de dispositivos JFET de carbeto de silício comerciais. A tensão máxima nominal de seus produtos JFET de SiC atinge 1700V e a corrente máxima nominal é de 30A.

Devido às características superiores e às aplicações bem-sucedidas dos MOSFETs de silício, os MOSFETs de carbeto de silício tornaram-se os dispositivos mais populares na pesquisa de dispositivos eletrônicos de potência de carbeto de silício. A empresa americana Cree liderou os avanços na pesquisa de MOSFETs de carbeto de silício e lançou dois produtos comerciais, de 10A/1200V e 20A/1200V, tornando-se a única fabricante no mundo a fornecer MOSFETs discretos de carbeto de silício comercialmente. A japonesa Rohm Corporation também está promovendo ativamente o processo de comercialização de seus MOSFETs de carbeto de silício. Esses MOSFETs de canal N de SiC iniciais foram direcionados principalmente para aplicações de 1200V. Os MOSFETs de SiC nesse nível de tensão apresentam vantagens maiores do que os dispositivos de silício atuais.

02

Estado de desenvolvimento de dispositivos de carboneto de silício no exterior 1. Estados Unidos

Já em 1997, no "Plano Nacional de Defesa e Ciência", os Estados Unidos definiram claramente as metas de desenvolvimento de semicondutores de banda larga. Em 2014, o presidente Obama liderou pessoalmente a criação da aliança da indústria de semicondutores de banda larga de terceira geração, representada pela SiC, para apoiar integralmente a tecnologia de semicondutores de banda larga e impulsionar a inovação tecnológica na próxima geração de fabricação de eletrônicos de potência. A aliança recebeu, até o momento, um total de US$ 140 milhões em apoio dos governos federal e locais. Seu objetivo é tornar a tecnologia de semicondutores de banda larga competitiva com a atual tecnologia de eletrônicos de potência baseada em silício em termos de custo nos próximos cinco anos, transformando-a na próxima geração de chips e dispositivos eletrônicos de potência de alta potência, eficientes e com economia de energia. Isso deverá liderar muitos dos maiores e mais promissores mercados industriais do mundo, incluindo eletrônicos de consumo, equipamentos industriais, comunicações, energia limpa, etc., aprimorando de forma abrangente a competitividade internacional e criando empregos bem remunerados.

2. Japão

Desde 1998, o governo japonês tem financiado continuamente pesquisas sobre a tecnologia de semicondutores de banda larga. Em 2013, o Japão incluiu o sistema de materiais SiC na "Estratégia do Primeiro-Ministro", acreditando que 50% da economia de energia no futuro será alcançada por meio de dispositivos SiC, a fim de criar uma nova era de energia limpa. Nos últimos anos, a Organização para o Desenvolvimento de Tecnologias Industriais de Novas Energias do Japão (NEDO) lançou um plano de pesquisa relacionado a dispositivos eletrônicos de potência de SiC, com foco na aplicação de módulos de potência de SiC em sistemas de circuitos de locomotivas ferroviárias, diversos sistemas de troca de energia, geração de energia e sistemas integrados de recuperação de calor residual de turbocompressores elétricos, equipamentos médicos de ponta e miniaturização de aceleradores, visando atingir as metas de conservação de energia e melhoria da eficiência.

3. União Européia

Em 2014, a União Europeia lançou um programa de pesquisa de três anos (2014-2017) em tecnologia de potência de SiC para sistemas de energia de alta eficiência (SPEED), com um investimento total de 18.58 milhões de euros. Doze instituições de pesquisa e empresas em sete países participaram do programa. O objetivo deste programa é conquistar conjuntamente a tecnologia de dispositivos eletrônicos de potência de SiC, reunindo os principais fabricantes e pesquisadores do mundo, superar os gargalos técnicos de toda a cadeia produtiva de dispositivos eletrônicos de potência de SiC e alcançar ampla aplicação no campo das energias renováveis. Em 2015, o Ministério Federal Alemão de Pesquisa financiou o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe e parceiros industriais (com um financiamento de 800,000 euros) para conduzir pesquisas sobre a melhoria da eficiência energética de fontes de alimentação de alta frequência baseadas em dispositivos de comutação de SiC, visando melhorar a eficiência energética das fontes de alimentação na produção industrial, reduzir o consumo de energia e as emissões de CO2.

Estado atual do desenvolvimento de dispositivos de carboneto de silício na China

1. Tyco Tianrun

A Tyco Tianrun foi fundada em 2011. Sua linha de produtos abrange tecnologias básicas, produtos moldados em carboneto de silício e diversas soluções industriais. Os diodos Schottky de carboneto de silício são os principais produtos básicos.

Em 2015, a Tyco Tianrun anunciou o lançamento de um diodo Schottky de carbeto de silício de alta potência, 3300V/50A. Segundo relatos, o produto apresenta características como baixa queda de tensão direta, alta velocidade de comutação e excelente condutividade térmica, sendo adequado para aplicações de ponta, como transporte ferroviário e redes inteligentes.

Segundo relatos, a queda de tensão direta típica de um diodo Schottky de carbeto de silício de alta potência de 3300 V/50 A é de 2.22 V (IF = 50 A, Tj = 25 °C) e 4.75 V (IF = 50 A, Tj = 175 °C); a corrente de fuga reversa típica é de 120 µA (VR = 3300 V, Tj = 25 °C) e 200 µA (VR = 3300 V, Tj = 175 °C); maximiza a confiabilidade em ambientes elétricos severos; pode operar normalmente na faixa de temperatura de -55 °C a 175 °C. Os produtos estão disponíveis como chips nus sem encapsulamento, e os tipos de encapsulamento do dispositivo podem ser personalizados de acordo com as necessidades do cliente.

2. Shenzhen Semicondutores Básicos

A Shenzhen Basic Semiconductor foi fundada em 2016, com foco em pesquisa e desenvolvimento e industrialização de dispositivos de potência de carbeto de silício (SiC). É uma das empresas pioneiras do Instituto de Pesquisa de Semicondutores de Terceira Geração de Shenzhen. A Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. tem se dedicado há muito tempo à pesquisa e ao desenvolvimento de dispositivos de potência de SiC. Seus principais produtos incluem diodos de SiC, MOSFETs de SiC e módulos MOSFET de SiC de grau automotivo, amplamente utilizados em geração de energia renovável, veículos de nova energia, transporte ferroviário e redes inteligentes.

O MOSFET de carbeto de silício de 1200V, lançado oficialmente pela Basic Semiconductor em outubro de 2018, é o primeiro produto de nível industrial projetado de forma independente por uma empresa chinesa e aprovado em testes de confiabilidade. Seu desempenho atingiu o nível de referência internacional, com um tempo de resistência a curto-circuito de até 6 μs.

3. Tecnologia Yangjie

A Yangjie Technology é especializada no desenvolvimento industrial nas áreas de fabricação de chips e dispositivos semicondutores de potência, encapsulamento e teste de circuitos integrados. Seus principais produtos incluem diversos chips de dispositivos eletrônicos de potência, diodos de potência, pontes retificadoras, módulos de alta potência, produtos DFN/QFN, SGTMOS, diodos Schottky de carbeto de silício (SBD), diodos JBS de carbeto de silício, etc. Os produtos são amplamente utilizados em eletrônicos de consumo, segurança, controle industrial, eletrônica automotiva, novas energias e muitos outros setores.

O site oficial da Yangjie Technology mostra que atualmente existem 4 módulos Schottky de carbeto de silício, os modelos MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ e MB40DU12FJ. Consultando a folha de dados, é possível verificar que o modelo MB200DU01FJ pode ser utilizado em fontes de alimentação para galvanoplastia, fontes de alimentação de alta frequência, fontes de alimentação chaveadas de alta corrente, proteção contra inversão de polaridade de baterias, máquinas de solda e outras aplicações.

3. Núcleo brilhante e úmido

Fundada em março de 2016, a Xinguang Runze é uma empresa de alta tecnologia especializada em pesquisa e desenvolvimento e fabricação de dispositivos e módulos de potência de carbeto de silício (SiC) de terceira geração. Em 18 de setembro de 2018, a primeira linha de produção nacional de módulos de potência inteligentes de carbeto de silício (SiCIPM) da Xinguangrunze entrou oficialmente em operação. O projeto teve início em dezembro de 2016. Estima-se que, após a estabilização da produção, a linha poderá atingir uma escala mensal de 300,000 unidades e uma produção anual de 3.6 milhões. A empresa atualmente oferece produtos de carbeto de silício, incluindo diodos Schottky (SBD) e MOSFETs de carbeto de silício. Por exemplo, o XGSCS1230SWA é um modelo de diodo Schottky que atende à tensão de 1200V. Suas aplicações incluem fontes de alimentação chaveadas, correção do fator de potência, inversores de potência, sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), acionamento de motores, entre outros.

4. Ruineng Semiconductor

A Ruineng Semiconductor Co., Ltd. é uma joint venture de alta tecnologia estabelecida pela NXP Semiconductors e pela Beijing Jianguang Asset Management Co., Ltd. A Ruineng Semiconductor tem se concentrado no desenvolvimento de um portfólio de produtos semicondutores de potência bipolares amplo e completo, líder do setor, incluindo retificadores controlados de silício e triacs, diodos de potência de silício, transistores de alta tensão e diodos de carbeto de silício. Os diodos de carbeto de silício da empresa são usados ​​principalmente em indústrias, servidores, condicionadores de ar e outros campos. Em seu site oficial, descobrimos que a Ruineng Semiconductor possui 25 modelos de diodos de carbeto de silício, todos capazes de atender à exigência de tensão de 650V, como o modelo NXPSC16650B, que pode ser usado em correção do fator de potência, fontes de alimentação chaveadas, sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), inversores fotovoltaicos, TVs LED/OLED, acionamentos de motores e outros cenários.

5. Eletrônica Zhanxin de Xangai

A Shanghai Zhanxin Electronics está empenhada em desenvolver chips de potência e módulos de baixo custo com dispositivos de potência de carboneto de silício como núcleo, fornecendo soluções completas de semicondutores para a miniaturização, eficiência e leveza de fontes de alimentação e sistemas de acionamento elétrico.

Em outubro de 2017, o processo de fabricação de MOSFETs de carbeto de silício (SiC) foi concluído em uma linha de produção em massa de 6 polegadas já consolidada. Os resultados dos testes em nível de wafer demonstraram que diversos parâmetros elétricos atendem às expectativas, estabelecendo uma base sólida para a otimização do processo e do projeto do dispositivo. Em 1º de maio de 2018, o primeiro wafer de MOSFET de SiC de 6 polegadas fabricado no país foi oficialmente produzido.

04

Aplicações típicas de dispositivos de carboneto de silício: 1. Infraestrutura 5G - fonte de alimentação para comunicação

A fonte de alimentação para comunicação é o banco de energia para servidores e estações base. Ela fornece energia para diversos equipamentos de transmissão e garante o funcionamento normal do sistema de comunicação. As características de alta frequência do MOSFET de carbeto de silício tornam a unidade magnética no circuito de potência menor e mais leve, resultando em maior eficiência geral da fonte de alimentação. Além disso, as características de recuperação reversa do diodo Schottky de carbeto de silício são praticamente nulas, o que lhe confere amplas perspectivas de aplicação em diversos circuitos de correção do fator de potência (PFC). Por exemplo, em um circuito PFC intercalado sem ponte de 3 kW para uma fonte de alimentação de comunicação de alta eficiência, o uso de diodos Schottky de carbeto de silício de 650 V/10 A permite que os clientes alcancem os altos requisitos técnicos de eficiência em plena carga igual ou superior a 95%.

2. Estação de carregamento para veículos de nova energia - módulo de potência da estação de carregamento

O rápido desenvolvimento da indústria de veículos de novas energias impulsionou o crescimento da demanda por estações de carregamento. Para veículos elétricos de novas energias, aumentar a velocidade de carregamento e reduzir os custos são os dois principais objetivos do desenvolvimento do setor. O uso de dispositivos de carboneto de silício em módulos de potência para estações de carregamento permite alcançar alta eficiência e alta potência nesses módulos, aumentando assim a velocidade de carregamento e reduzindo os custos.

3. Centro de dados de grande porte, Internet industrial - fonte de alimentação do servidor

A fonte de alimentação do servidor é o banco de energia do servidor. O servidor fornece energia para garantir o funcionamento normal do sistema. O uso de dispositivos de potência de carbeto de silício em fontes de alimentação de servidores pode melhorar a densidade de potência e a eficiência das fontes, reduzir o tamanho total do data center, diminuir o custo total de construção e alcançar maior eficiência ambiental. Por exemplo, em um módulo de alimentação de servidor de 3 kW, o uso de MOSFETs de carbeto de silício em um PFC totem pole pode melhorar significativamente a eficiência da fonte de alimentação e atender a requisitos de eficiência mais elevados.

4. Ultra-alta tensão - aplicação de disjuntores de transmissão CC flexíveis

Como um projeto de sistema em larga escala, a transmissão UHV (Ultra High Voltage) irá gerar uma série de demandas por matérias-primas e componentes. Os dispositivos de potência são componentes-chave da tecnologia de transmissão flexível FACTS na transmissão CC UHV na extremidade de transmissão e transformadores eletrônicos de potência (PET) na extremidade da subestação. Sendo uma das partes fundamentais da transmissão CC flexível, a confiabilidade do disjuntor CC tem um grande impacto na estabilidade de todo o sistema de transmissão. O uso de dispositivos tradicionais à base de silício para projetar disjuntores CC exige a conexão em série de subunidades multiníveis. O uso de dispositivos de carboneto de silício de alta tensão em disjuntores CC pode reduzir significativamente o número de subunidades em série, o que representa uma importante direção de pesquisa do setor.

5. Trens interurbanos de alta velocidade e transporte ferroviário interurbano - conversor de tração, transformador eletrônico de potência, conversor auxiliar, fonte de alimentação auxiliar

O futuro do transporte ferroviário imporá exigências mais elevadas aos dispositivos eletrônicos de potência, como conversores de tração, conversores de tensão eletrônicos de potência, etc. O uso de dispositivos de potência de carboneto de silício pode melhorar significativamente a densidade de potência e a eficiência operacional desses dispositivos, o que contribuirá para reduzir consideravelmente o peso do sistema de transporte ferroviário. Os dispositivos de carboneto de silício permitem alcançar ainda maior eficiência e miniaturização dos equipamentos, apresentando enormes vantagens técnicas no transporte ferroviário. O Shinkansen N700S do Japão foi pioneiro na utilização de dispositivos de potência de carboneto de silício em conversores de tração, reduzindo significativamente o peso do veículo, alcançando maior eficiência de transporte e reduzindo os custos operacionais.

05

Conclusão: Embora os dispositivos eletrônicos de potência de carbeto de silício ainda apresentem problemas como baixa potência de saída, alto custo, poucos tipos de dispositivos comerciais e falta de encapsulamento para altas temperaturas, com o aprofundamento contínuo da pesquisa em tecnologia de dispositivos eletrônicos de potência de carbeto de silício, esses problemas serão gradualmente resolvidos. Mais e melhores dispositivos eletrônicos de potência de carbeto de silício comerciais serão introduzidos no mercado, o que expandirá consideravelmente os campos de aplicação desses dispositivos. Num futuro próximo, os dispositivos de potência de carbeto de silício se tornarão componentes-chave para reduzir a perda de potência, melhorar a eficiência e a densidade de potência em diversas aplicações de conversores.

Nota: Este artigo foi reproduzido da internet e visa proteger os direitos de propriedade intelectual. Ao republicá-lo, por favor, indique a fonte original e o autor. Caso haja alguma infração, entre em contato conosco para que possamos removê-lo.

Número de telefone da empresa: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Gerente Li

QQ: 332496225 Gerente Qiu

Endereço: Sala 809, Edifício C, Edifício de Tecnologia Zhantao, nº 1079 Avenida Minzhi, Novo Distrito de Longhua, Shenzhen