SiC功率元器件背景、优点及发展前景

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半导体技术发展到现在,已经经历了三代的变化,第一代是以硅(Si)和锗(Ge)为代表的元素半导体材料。第二代是以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料。第三代半导体是碳化硅(SiC)氮化镓(GaN)为代表的高温半导体材料。可以看到,随着半导体技术的发展,新一代的半导体材料较老一代的半导体材料具有更高的击穿电压、更宽的禁带宽度等等,未来随着电源对功率和电流的要求日益严格,对半导体材料也提出了更高的要求,因而第三代半导体对整个电源行业来说有着极其重要的意义。
 
我们来看对比:SiC功率元器件具有优于Si功率元器件的更高耐压、更低导通电阻、可更高速工作,且可在更高温条件下工作。接下来将针对SiC的开发背景和具体优点进行介绍。
 
SiC功率元器件的开发背景
 
之前谈到,通过将SiC应用到功率元器件上,实现以往Si功率元器件无法实现的低损耗功率转换。不难发现这是SiC使用到功率元器件上的一大理由。其背景是为了促进解决全球节能课题。
 
以低功率DC/DC转换器为例,随着移动技术的发展,超过90 %的转换效率是很正常的,然而高电压、大电流的AC/DC转换器的效率还存在改善空间。众所周知,以EU为主的相关节能指令强烈要求电气/电子设备实现包括消减待机功耗在内的节能目标。
 
在这种背景下,削减功率转换时产生的能耗是当务之急。不用说,必须将超过Si极限的物质应用于功率元器件。
 
例如,利用SiC功率元器件可以比IGBT的开关损耗降低85%。如该例所示,毫无疑问,SiC功率元器件将成为能源问题的一大解决方案。
 
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SiC的优点
 
如前文所述,利用SiC可以大幅度降低能量损耗。当然,这是SiC很大的优点,接下来希望再了解一下低阻值、高速工作、高温工作等SiC的特征所带来的优势。
 
通过与Si的比较来进行介绍。”低阻值”可以单纯解释为减少损耗,但阻值相同的话就可以缩小元件(芯片)的面积。应对大功率时,有时会使用将多个晶体管和二极管一体化的功率模块。例如,SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。
 
关于“高速工作”,通过提高开关频率,变压器、线圈、电容器等周边元件的体积可以更小。实际上有能做到原有1/10左右的例子。
 
“高温工作”是指容许在更高温度下的工作,可以简化散热器等冷却机构。
 
如上所述,可使用SiC来改进效率或应对更大功率。而以现状的电力情况来说,通过使用SiC可实现显著小型化也是SiC的一大优点。不仅直接节能,与放置场所和运输等间接节能相关的小型化也是重要课题之一。
 
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罗姆针对SiC功率器件推出了一系列产品,主要有1200V和500V两种耐压值的SiC功率器件,罗姆的1200V SiC相关产品系列:
 
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在未来,电源方面的应用一定会出现更多的SiC应用。虽然,价格和外延工艺这两个比较大的缺点制约着SiC器件的应用,但是我们相信,随着半导体技术的不断进步,工艺和价格这两个问题都会得到解决,届时,SiC会有更大的发展空间,及更广的应用。
 
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