Третье поколение широкозонных полупроводников, представленное карбидом кремния, способно нормально функционировать в условиях более высоких температур, напряжений и частот, потребляя при этом меньше энергии и обладая большей долговечностью и надежностью. Это откроет новые возможности для создания следующего поколения более компактных, быстрых, недорогих и высокоэффективных силовых электронных устройств.

Развитие и индустриализация технологии силовых электронных устройств на основе карбида кремния откроют новые возможности применения в высоковольтных энергетических системах и окажут глубокое влияние на трансформацию энергосистемы. Превосходные высокоэффективные, высоковольтные, высокотемпературные и высокочастотные характеристики силовых электронных устройств на основе карбида кремния открывают большой потенциал их применения в таких областях, как бытовая техника, энергосбережение в электродвигателях, электромобили, интеллектуальные сети, аэрокосмическая промышленность, нефтедобыча, автоматизация, радиолокация и связь.

Введение в силовые электронные устройства на основе карбида кремния

1. Определение карбида кремния (SiC)

Силовые электронные устройства на основе карбида кремния (SiC) — это широкозонные силовые электронные устройства, изготовленные из полупроводникового материала третьего поколения SiC. Они обладают такими характеристиками, как высокая термостойкость, высокая частота и высокая эффективность. В зависимости от формы работы, силовые электронные устройства на основе SiC в основном включают силовые диоды и силовые коммутирующие трубки. К силовым диодам относятся диоды Шоттки с барьерным переходом (JBS), диоды PiN и суперпереходные диоды; к силовым коммутирующим трубкам в основном относятся полевые транзисторы с металлооксидным полупроводником (MOSFET), полевые транзисторы с переходом (JFET), биполярные коммутирующие трубки (BJT), биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), тиристоры с затворным выключением (GTO) и тиристоры с эмиттерным выключением (ETO) и др.

2. Технические преимущества

Превосходные свойства полупроводников на основе карбида кремния обеспечивают силовым электронным устройствам на его основе следующие выдающиеся преимущества по сравнению с устройствами на основе кремния:

(1) Имеет более низкое сопротивление в открытом состоянии. При низком напряжении пробоя (около 50 В) удельное сопротивление в открытом состоянии устройств на основе карбида кремния составляет всего 1.12 мкОм, что примерно в 100 раз меньше, чем у аналогичных кремниевых устройств. При высоком напряжении пробоя (около 5 кВ) удельное сопротивление в открытом состоянии увеличивается до 25.9 мОм, что примерно в 300 раз меньше, чем у аналогичных кремниевых устройств. Более низкое сопротивление в открытом состоянии позволяет силовым электронным устройствам на основе карбида кремния иметь меньшие потери проводимости, что приводит к повышению общей эффективности машины.

(2) Имеет более высокое напряжение пробоя. Например: коммерческие кремниевые диоды Шоттки обычно имеют номинальное напряжение менее 300 В, но номинальное напряжение первого коммерческого диода Шоттки из карбида кремния достигло 600 В; номинальное напряжение первого коммерческого MOSFET из карбида кремния составляет 1200 В, в то время как у большинства широко используемых кремниевых MOSFET оно ниже 1 кВ.

(3) Более низкое тепловое сопротивление перехода и корпуса приводит к более медленному повышению температуры устройства.

(4) Более высокая предельная рабочая температура. Ожидается, что экстремальная рабочая стабильность карбида кремния достигнет более 600 °C, в то время как максимальная температура перехода кремниевых устройств составляет всего 150 °C.

(5) Более высокая радиационная стойкость, что позволяет снизить вес оборудования радиационной защиты при использовании в авиации и других областях.

(6) Более высокая стабильность, прямые и обратные характеристики устройств из карбида кремния очень мало изменяются с температурой.

(7) Меньшие потери при переключении. Устройства на основе карбида кремния имеют малые потери при переключении и могут работать на более высоких частотах переключения (>20 кГц), которых трудно достичь с помощью кремниевых устройств при уровнях мощности в десятки киловатт.

3. Основные категории

(1) Диод Шоттки из карбида кремния

Как униполярное устройство, диод Шоттки (SBD) не имеет дополнительной инжекции и хранения носителей заряда в процессе проводимости, поэтому обратный ток восстановления практически отсутствует. Процесс выключения у него очень быстрый, а потери при переключении очень малы. Однако барьер Шоттки в кремнии низкий, обратный ток утечки кремниевого SBD относительно велик, а напряжение блокировки низкое. Он может использоваться только в условиях низкого напряжения от 100 до 200 вольт. Диоды PiN обычно используются в условиях более высоких напряжений, но у них большой обратный ток восстановления и большие потери при переключении. Благодаря высокой критической напряженности электрического поля лавинного пробоя в материалах на основе карбида кремния, относительно легко производить SBD на основе карбида кремния с обратным напряжением пробоя, превышающим 1000 В.

Благодаря этим уникальным преимуществам SiC, производители полупроводниковых приборов, такие как Cree, выпускают высоковольтные SiC-диоды Шоттки с током включения 1-20 А и напряжением 300 В, 600 В и 1200 В. В таблице 1 показаны основные международные производители SiC-диодов Шоттки и уровень их коммерческих устройств. Компания Cree недавно выпустила свой новейший SiC-диод Шоттки с напряжением 1700 В. В высоковольтных коммутационных приложениях SiC-диоды Шоттки обеспечивают практически идеальные характеристики. Они практически не имеют напряжения прямого восстановления, поэтому могут включаться мгновенно. В отличие от емкости перехода, их накопленный заряд также очень мал, и они могут быстро выключаться.

(2) Силовой транзистор на основе карбида кремния

Компания American SemiSouth провела углублённые исследования в области JFET-транзисторов на основе карбида кремния и в настоящее время является основным поставщиком коммерческих JFET-устройств на основе карбида кремния в мире. Максимальное номинальное напряжение её продукции на основе SiC JFET достигает 1700 В, а максимальный номинальный ток составляет 30 А.

Благодаря превосходным характеристикам и успешному применению кремниевых MOSFET-транзисторов, кремнийкарбидные MOSFET-транзисторы стали наиболее популярными устройствами в исследованиях силовой электроники на основе карбида кремния. Американская компания Cree возглавила прорыв в исследованиях кремнийкарбидных MOSFET-транзисторов и выпустила два коммерческих продукта на их основе: 10A/1200V и 20A/1200V, став единственным в мире производителем, предлагающим коммерческие дискретные кремнийкарбидные MOSFET-транзисторы. Японская корпорация Rohm также активно продвигает процесс коммерциализации своих кремнийкарбидных MOSFET-транзисторов. Эти первые SiC N-канальные DMOSFET-транзисторы были в основном ориентированы на приложения с напряжением 1200 В. SiC MOSFET-транзисторы на этом уровне напряжения обладают большими преимуществами по сравнению с существующими кремниевыми устройствами.

02

Состояние развития устройств на основе карбида кремния за рубежом 1. Соединенные Штаты

Еще в 1997 году в «Национальном плане обороны и науки» Соединенные Штаты четко определили цели развития широкозонных полупроводников. В 2014 году президент Обама лично возглавил создание альянса производителей широкозонных полупроводников третьего поколения, представленного SiC, для всесторонней поддержки технологии широкозонных полупроводников и обеспечения технологических инноваций в производстве силовой электроники следующего поколения. В настоящее время альянс получил в общей сложности 140 миллионов долларов США от федерального и местного правительств. Он планирует сделать технологию широкозонных полупроводников конкурентоспособной по стоимости с существующей кремниевой силовой электроникой в ​​течение следующих пяти лет, создав следующее поколение энергосберегающих, эффективных и мощных силовых электронных чипов и устройств. Это позволит возглавить многие крупнейшие и наиболее быстрорастущие промышленные рынки мира, включая бытовую электронику, промышленное оборудование, связь, чистую энергетику и т. д., всесторонне повысить международную конкурентоспособность и создать высокооплачиваемые рабочие места.

2. Япония

С 1998 года правительство Японии продолжает финансировать исследования в области широкозонных полупроводниковых технологий. В 2013 году Япония включила систему материалов SiC в «Стратегию премьер-министра», полагая, что 50% экономии энергии в будущем будет достигнуто за счет устройств на основе SiC, что позволит создать новую эру чистой энергии. В последние годы Японская организация по развитию новых энергетических технологий (NEDO) запустила план исследований, связанных с силовыми электронными устройствами на основе SiC, сосредоточив внимание на применении силовых модулей SiC в системах электроснабжения железнодорожных локомотивов, различных системах энергоснабжения, системах генерации электроэнергии и рекуперации отработанного тепла в электрических турбокомпрессорах, передовом медицинском оборудовании и миниатюризации ускорителей, с целью достижения целей энергосбережения и повышения эффективности.

3. Европейский союз

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

Состояние развития устройств на основе карбида кремния в Китае

1. Тайко Тяньжун

Компания Tyco Tianrun была основана в 2011 году. Ее продукция включает в себя базовые технологические продукты, изделия из карбида кремния, изготовленные методом литья под давлением, и различные отраслевые решения. К базовым продуктам относятся диоды Шоттки из карбида кремния.

В 2015 году компания Tyco Tianrun объявила о выпуске мощного диода Шоттки из карбида кремния на 3300 В/50 А. Согласно сообщениям, изделие обладает такими характеристиками, как низкое прямое падение напряжения, высокая скорость переключения и отличная теплопроводность, и подходит для высокотехнологичных областей, таких как железнодорожный транспорт и интеллектуальные энергосети.

Согласно отчетам, типичное прямое падение напряжения мощного кремниево-карбидного диода Шоттки на 3300 В/50 А составляет 2.22 В (IF=50 А, Tj=25℃) и 4.75 В (IF=50 А, Tj=175℃); типичный обратный ток утечки составляет 120 мкА (VR=3300 В, Tj=25℃) и 200 мкА (VR=3300 В, Tj=175℃); обеспечивает максимальную надежность в жестких электрических средах; может нормально работать в диапазоне температур от -55℃ до 175℃. Продукция доступна в виде неупакованных микросхем, а типы упаковки устройств могут быть изготовлены на заказ в соответствии с требованиями заказчика.

2. Shenzhen Basic Semiconductor

Компания Shenzhen Basic Semiconductor была основана в 2016 году и специализируется на исследованиях, разработках и промышленном внедрении силовых полупроводниковых приборов на основе карбида кремния. Она является одним из инициаторов создания Шэньчжэньского научно-исследовательского института полупроводников третьего поколения. Компания Shenzhen Basic Semiconductor Co., Ltd. долгое время уделяла особое внимание исследованиям и разработке силовых полупроводниковых приборов на основе SiC. Ее основная продукция включает в себя SiC-диоды, SiC MOSFET-транзисторы и автомобильные модули на основе SiC MOSFET, которые широко используются в возобновляемых источниках энергии, электромобилях, железнодорожном транспорте и интеллектуальных энергосетях.

Официально выпущенный компанией Basic Semiconductor в октябре 2018 года кремнийкарбидный MOSFET-транзистор на 1200 В стал первым промышленным продуктом, разработанным китайской компанией самостоятельно и прошедшим испытания на надежность. Его характеристики достигли международного уровня, а время работы при коротком замыкании составляет всего 6 мкс.

3. Технология Янцзе

Компания Yangjie Technology специализируется на промышленном развитии в области производства силовых полупроводниковых микросхем и устройств, упаковки интегральных схем и тестирования. Основная продукция включает в себя различные силовые электронные микросхемы, силовые диоды, выпрямительные мосты, мощные модули, изделия DFN/QFN, SGTMOS, кремнийкарбидные SBD, кремнийкарбидные JBS и др. Продукция широко используется в бытовой электронике, системах безопасности, промышленном управлении, автомобильной электронике, возобновляемой энергетике и многих других областях.

На официальном сайте компании Yangjie Technology указано, что в настоящее время доступны 4 модели диодов Шоттки на основе карбида кремния: MB200DU01FJ, MB200DU02FJ, MB300U02FJ и MB40DU12FJ. Из технической документации можно узнать, что модель MB200DU01FJ может использоваться в источниках питания для гальванических работ, высокочастотных источниках питания, импульсных источниках питания с высоким током, системах защиты от обратной полярности батарей, сварочных аппаратах и ​​других областях применения.

3. Core glossy and moist

Компания Xinguang Runze, основанная в марте 2016 года, является высокотехнологичным предприятием, специализирующимся на исследованиях, разработках и производстве полупроводниковых силовых устройств и модулей на основе карбида кремния (SiC) третьего поколения. 18 сентября 2018 года компания Xinguang Runze официально запустила в производство первую в стране линию по выпуску интеллектуальных силовых модулей из карбида кремния (SiCIPM). Строительство проекта официально началось в декабре 2016 года. По имеющимся данным, после запуска производственной линии на стабильной основе ежемесячный объем производства может достичь 300 000 единиц, а годовой — 3.6 миллиона. В настоящее время компания выпускает продукцию из карбида кремния, включая диоды Шоттки (SBD) и полевые транзисторы (MOSFET) на основе карбида кремния. Например, XGSCS1230SWA — одна из моделей диодов Шоттки на основе карбида кремния, которая соответствует требованиям по напряжению 1200 В. Сферы применения: импульсные источники питания, коррекция коэффициента мощности, инверторы, источники бесперебойного питания (ИБП), приводы двигателей и т. д.

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. Шанхайская электроника Zhanxin

Компания Shanghai Zhanxin Electronics занимается разработкой экономически эффективных силовых микросхем и модулей на основе силовых устройств из карбида кремния, предоставляя комплексные полупроводниковые решения для миниатюризации, повышения эффективности и снижения веса источников питания и систем электропривода.

В октябре 2017 года на отлаженной производственной линии по выпуску 6-дюймовых кремниевых МОП-транзисторов был завершен процесс изготовления МОП-транзисторов из карбида кремния (SiC). Результаты испытаний на уровне пластины показали, что различные электрические параметры соответствуют ожиданиям, заложив прочную основу для дальнейшей оптимизации процесса и конструкции устройства. 1 мая 2018 года официально появилась первая отечественная 6-дюймовая пластина с SiC МОП-транзисторами.

04

Типичные области применения устройств на основе карбида кремния: 1. Инфраструктура 5G — электропитание связи.

Источник питания для связи — это энергетический блок для серверов и базовых станций связи. Он обеспечивает питание различного передающего оборудования и гарантирует нормальную работу системы связи. Высокочастотные характеристики MOSFET на основе карбида кремния позволяют уменьшить размеры и вес магнитного элемента в силовой цепи, а также повысить общую эффективность источника питания; характеристики обратного восстановления диода Шоттки на основе карбида кремния практически равны нулю, что открывает широкие перспективы его применения во многих схемах коррекции коэффициента мощности (PFC). Например, в высокоэффективной схеме бесмостовой чередующейся коррекции коэффициента мощности (PFC) для источников питания связи мощностью 3 кВт использование диодов Шоттки на основе карбида кремния с напряжением 650 В/10 А позволяет заказчикам достичь высоких технических требований к эффективности при полной нагрузке, превышающей или равной 95%.

2. Зарядная станция для электромобилей - силовой модуль зарядной станции

Быстрое развитие индустрии электромобилей привело к росту спроса на зарядные станции. Для электромобилей на новых источниках энергии двумя основными целями развития отрасли являются увеличение скорости зарядки и снижение стоимости зарядки. Использование устройств на основе карбида кремния в силовых модулях зарядных станций позволяет достичь высокой эффективности и высокой мощности, тем самым увеличивая скорость зарядки и снижая ее стоимость.

3. Центр обработки больших данных, промышленный интернет — электропитание серверов.

Блок питания сервера — это энергетический накопитель сервера. Сервер обеспечивает питание для нормальной работы серверной системы. Использование силовых устройств на основе карбида кремния в блоках питания серверов позволяет повысить плотность мощности и эффективность, уменьшить габариты центра обработки данных, снизить общую стоимость его строительства и добиться более высокой экологической эффективности. Например, в модуле питания сервера мощностью 3 кВт использование MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния в системе коррекции коэффициента мощности (PFC) может значительно повысить эффективность блока питания сервера и обеспечить достижение более высоких требований к эффективности.

4. Сверхвысокое напряжение — применение гибких автоматических выключателей постоянного тока для передачи данных.

Проект сверхвысокого напряжения (СВН) как крупномасштабная системная разработка вызовет ряд потребностей в сырье и компонентах. Силовые приборы являются ключевыми компонентами технологии гибкой передачи постоянного тока FACTS на стороне передачи и силовыми электронными трансформаторами (ПЭТ) на стороне подстанции. Надежность выключателя постоянного тока, как одного из ключевых элементов гибкой передачи постоянного тока, оказывает большое влияние на стабильность всей системы передачи. Использование традиционных кремниевых приборов для проектирования выключателей постоянного тока требует последовательного соединения многоуровневых подблоков. Использование высоковольтных приборов на основе карбида кремния в выключателях постоянного тока позволяет значительно сократить количество последовательно соединенных подблоков, что является ключевым направлением исследований в отрасли.

5. Междугородние высокоскоростные железные дороги и междугородний железнодорожный транспорт - тяговый преобразователь, силовой электронный трансформатор, вспомогательный преобразователь, вспомогательный источник питания

В будущем железнодорожный транспорт будет предъявлять более высокие требования к силовым электронным устройствам, таким как тяговые преобразователи, силовые электронные преобразователи напряжения и т. д. Использование силовых устройств на основе карбида кремния может значительно повысить удельную мощность и эффективность работы этих устройств, что поможет существенно снизить несущую способность железнодорожной системы. Устройства на основе карбида кремния позволяют достичь дальнейшей высокой эффективности и миниатюризации оборудования, и обладают огромными техническими преимуществами в железнодорожном транспорте. Японский скоростной поезд Shinkansen N700S стал лидером в использовании силовых устройств на основе карбида кремния в тяговых преобразователях, что значительно снизило вес транспортного средства, повысило эффективность перевозки и уменьшило эксплуатационные расходы.

05

В заключение следует отметить, что, несмотря на то, что силовые электронные устройства на основе карбида кремния по-прежнему имеют такие проблемы, как низкая выходная мощность, высокая цена, ограниченное количество коммерческих устройств и отсутствие высокотемпературной упаковки, с непрерывным углублением исследований в области технологий силовых электронных устройств на основе карбида кремния эти проблемы постепенно будут решены. На рынок будет выведено больше качественных коммерческих силовых электронных устройств на основе карбида кремния, что значительно расширит области их применения. В ближайшем будущем силовые устройства на основе карбида кремния станут ключевыми устройствами для снижения потерь мощности, повышения эффективности и удельной мощности в различных преобразовательных приложениях.

Примечание: Данная статья воспроизведена из интернета и направлена ​​на защиту прав интеллектуальной собственности. При перепечатке, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.