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碳化硅瞄准新的电力电子行业

2020-01-20 11:01 来源:电源网编译 编辑:咩咩

碳化硅(SiC)技术有望实现更高的效率,更小的外形尺寸,更低的成本并降低对更智能电源设计的冷却要求。

广泛采用的宽禁带(WBG)半导体技术在电力电子行业继续增长。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)半导体材料表现出优越的性能,与传统的硅技术相比,它们允许电力设备在高压下,尤其是在高温和开关频率下进行潜在的操作。电力电子系统的设计者正在努力充分利用氮化镓和碳化硅器件的优势。

SiC已在多种应用中采用,特别是在电动汽车中,以解决在开发高效率和高功率设备方面的能源和成本挑战。硅已被用作大多数电子应用中的关键半导体材料,但是现在,与SiC相比,硅被认为效率低下。

SiC由纯硅和碳组成,与硅相比具有三个主要优点:更高的临界雪崩击穿场,更高的导热率和更宽的带隙。 SiC具有三个电子伏特(eV)的宽带隙,可以承受比硅大8倍的电压梯度,而不会发生雪崩击穿。带隙越宽,在高温下的漏电流就越小,因此效率高。较高的热导率对应于较高的电流密度。

SiC衬底的较高电场强度允许使用更薄的基础结构。与外延硅层相比,这可以实现厚度的十分之一。此外,SiC的掺杂浓度比硅的掺杂浓度高2倍。因此,部件的表面电阻降低,并且传导损耗显着降低。

SiC技术现已被公认为是硅的可靠替代品。许多功率模块和功率逆变器制造商已在其未来产品路线图中奠定了基础。这项WBG技术可通过大幅降低特定负载下的开关损耗和传导损耗同时提供改进的热管理,从而提供前所未有的能源效率。

在电力电子系统中,热设计在确保高能量密度和缩小电路尺寸方面起着至关重要的作用。在这些应用中,SiC是理想的半导体材料,因为其导热系数几乎比硅半导体高3倍。

SiC技术适用于高功率项目,例如电动机,电驱动器和逆变器。电力驱动器制造商正在开发新的驱动器电路,以满足转换器对更高开关频率的需求,并通过采用更复杂的拓扑结构来减少电磁干扰(EMI)。

SiC器件所需的外部组件更少,系统布局更可靠,制造商成本更低。更高的效率,更小的外形尺寸和更轻的SiC重量使智能设计能够降低冷却要求。

应用领域

最近,几家汽车制造商开发了新的推进概念,使他们能够将首款混合动力和电动汽车模型推向市场。在这些车辆中,有一些新的组件和系统,例如为发动机提供动力的变频器(最高300 kW),3.6 W至22 kW的车载电池充电器,3.6 kW至22 kW的感应充电器(无线充电),最高5 kW的DC / DC转换器,以及用于辅助负载(例如空调和动力转向)的逆变器。

新型高压电池是采用混合动力和电动汽车的主要障碍之一。借助SiC,汽车制造商可以缩小电池尺寸,同时降低电动汽车的总成本。

此外,得益于SiC的热性能,制造商还可以降低冷却动力总成组件的成本。这对电动汽车的重量和成本产生了积极影响。

车载充电器包含各种功率转换元件,例如二极管和MOSFET。目的是通过使用小型无源组件来使功率电子器件小型化,从而将它们全部集成在一起。如果可以在同一电路中以高开关频率控制所使用的半导体,则这是可能的。但是,硅的热特性限制了高开关频率解决方案。另一方面,SiC MOSFET为此类应用提供了理想的解决方案(图1)。

碳化硅瞄准新的电力电子行业

图1:3 kW EV车载充电器(图片:GaN Systems Inc.)

长期可靠性已经成为SiC MOSFET的标志。功率半导体制造商的下一步是解决多芯片功率模块或混合模块的开发问题,该模块将传统的硅晶体管和SiC二极管集成在同一物理设备上。通过提供高击穿电压,这些模块可以在更高的温度下工作。它们保证了高效运行并进一步缩小了设备尺寸。

以当前市场价格计算,SiC MOSFET较硅IGBT具有系统级的优势,并且随着150毫米晶圆制造被广泛采用,我们预计SiC MOSFET的价格将继续下降。一些制造商已经开始使用200毫米(8英寸)晶圆。随着晶片尺寸的增加,每个管芯的成本降低,但是成品率也可能降低。因此,必须不断改进流程(图2)。

碳化硅瞄准新的电力电子行业

图2:碳化硅产品针对可提高效率,可靠性和热管理性能的应用。图片:Littelfuse Inc.)

最大的挑战是由于更高的制造工艺成本和缺乏量产而广泛采用SiC器件。 SiC器件的批量生产带来了挑战,这些挑战需要强大且经过深思熟虑的基础架构和制造工艺。这包括晶圆测试,该测试需要测试在较高电流和电压范围内工作的较小设备。

一旦解决了这些挑战,OEM设计师将加大采用SiC器件的能力,以利用该技术的电气特性,从而大幅降低系统成本并提高整体效率。具有车载充电单元和功率逆变器的电动汽车是SiC半导体技术的主要候选产品。

本文编译自powerelectronicsnews。

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