请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
搜索
热搜: ROHM 模拟 车载
查看: 51|回复: 0

[分享] SiC器件改变半导体行业面貌

[复制链接]

该用户从未签到

330

主题

331

帖子

0

精华

金牌会员

最后登录
2020-10-23
发表于 2020-9-24 23:34:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
代碳化硅(SiC)半导体器件具有值得称道的性能,使得越来越多的应用领域切实获益。但是随着电动车(EV)、可再生能源和5G等行业的创新步伐越来越快,越来越多的工程师在寻找新的解决方案,对功率开关技术的要求也越来越高,以求满足客户和行业需求。

碳化硅由碳和硅两种元素组成,它们在银河系中极为丰富,含量分别排在第四位和第八位。虽然如此,但碳化硅很少在地球自然界中出现,仅在陨石和部分岩石沉积物中有少许痕迹。不过,它可以用人工方法相当轻松地合成,并已经作为研磨料(金刚砂)使用了一个多世纪。甚至在电子器件中,它也在早期无线电中作为检波器使用,而且第一个LED效应是于1907年利用SiC晶体产生的。

在电力电子学中,我们知道SiC是一种宽带隙(WBG)半导体,它拥有革命性的功率转换性能,能在高频下生成以前无法获得的效率数据,并具有相关无源元件较小带来的其他附带优点,尤其是磁性元件。这些都会带来成本、重量和体积节省。


SiC FET共源共栅引领宽带隙封装
现在,已经出现了第三代SiC FET,这是一种Si-MOSFET和SiC JFET的共源共栅布置,处于宽带隙技术的前沿。在归一化开态电阻乘以晶粒面积,即RDS(ON)*A,以及归一化开态电阻乘以关闭能耗,即RDS(ON)*EOSS方面,它们具有最好的性能表征,这二者是降低通导损耗和开关损耗的关键指标。

按绝对值计算,对于650V器件,SiC FET实现了不到7mΩ的开态电阻,对于1200V额定值,则不到10mΩ,同时价格与Si相差无几。鉴于UnitedSiC在SOT-227形式中证明的2mΩ,1200V性能,模块封装中的并联零件会表现得更好(图1)。
微信图片_20200924233100.jpg
【图1 在额定值为1200V,2mΩ的SOT-227封装中的六个SiC FET。】

SiC FET的一个主要应用是,在易驱动且兼容的栅极驱动和受欢迎的TO-247封装的帮助下,作为Si-MOSFET和IGBT的插入式替代品。现有应用,尤其是使用IGBT的应用,开关频率可能会低,但是新设计可以在新的可用DFN8x8封装中利用SiC FET的高频和高边际变化率能力。这会让电感显著降低,使其成为LLC和相移全桥转换器等软硬开关应用的理想选择。通过SiC FET沟道进行的固有反向传导可充当低损耗、快速恢复体二极管,也对这方面有益。


现在可以在哪里找到SiC FET
作为IGBT和Si-MOSFET的直接替代品,SiC FET用于升级电动机驱动、UPS逆变器、焊机、大功率交直流和直流转换器等等。在电动机驱动应用中,可以在不改变开关频率的情况下不断提高效率,同时沟道中的静态和动态损耗会降低,栅极驱动电流也会减小,这会使得IGBT耗散大量功率,而Si-MOSFET耗散的功率更多。

通常会对栅极驱动元件进行调整,实施简单更改,以降低SiC FET的开关速度。还可以考虑其他益处,如降低缓冲电路的体积,甚至去掉整流二极管,该二极管在IGBT驱动中是必需的,但是可以被SiC FET体二极管效应有效替代。在电动车电动机驱动逆变器应用中,会有一些效率增益,如果频率提高,相比IGBT解决方案,电动车电动机可以更高效平稳地运行。在工业和汽车驱动中,效率提高可以解决对更小的体积和更长的单次充电行驶里程的迫切需求。

车载和静态电动车电池充电器也都使用SiC FET获得优势。在这种情况下,低损耗、高频率运行可以允许输出滤波器中使用小得多的磁性元件,从而降低重量、体积和成本,进一步提高车载充电机实现的电动车单次充电行驶里程。使用SiC FET、在100kW+电平下运行、直流输出电压为400V或800V的路边快速充电器也因此受益,效率节省超过IGBT。按需并联的独立SiC FET器件通常很实用且成本较低,是昂贵的IGBT模块的替代品。整体看来,可以节省成本和散发到环境中的能量。

在包括大功率交直流和直流转换器在内的所有功率转换领域中,有越来越多的新设计使用SiC FET。在从头开始设计时,可以发挥出器件的全部潜力;后接谐振转换级的图腾柱功率因数校正能实现非常高的效率,无论是LLC还是带同步整流的相移全桥,它们都使用SiC FET在高频下开关。之后,在冷却硬件、滤波和能量存储磁性元件、电容器、缓冲电路、外壳等方面都会发生后续节省,这些都能降低总系统成本并降低碳排放。


SiC FET的未来
SiC FET的性能惊人,但是设计师总是想要更多,节省能量和成本并同时提高功能的压力让这种性能需求更加迫切。迅速扩张的市场有5G基础设施、电动车/混合动力车、可再生能源发电和数据中心,而且在所有情况下,下一代SiC FET技术都能在实现更好的性能方面发挥作用。

微信图片_20200924233105.jpg
【图2. 引人注目的SiC FET特性及其比例变化、进化方向。蓝色表示现在,橙色表示未来可能情形。】
有许多器件参数已经有了发展路线,部分参数需要权衡。图2显示了部分参数的发展方向以及在未来情景中的可能比例增益。理论上,所有这些增益均可实现,且预计能够随着继续发展而出现。参数改进并不一定与损耗降低有关,但是一定很重要。由于短路耐受额定值更好、击穿电压更高、封装热阻更低,从而更易冷却并具有更高的可靠性,坚固性也必定会有所提高。众所周知,封装和SiC FET元件设计方面有改进的空间,这预计将降低RDS(ON)和晶粒面积。幸运地是,这还可以降低晶粒电容,进而降低动态损耗。
以SiC制成的JFET的应用也在增加;作为固态断路器和限流器,它们具有独特的优势,其常开特征实际上就是一项优势。SiC技术对高峰值结温有极高的耐受能力,并实现低通导电阻以及明确界定的饱和电流与快速开关。作为断路器,SiC JFET的开关速度比传统机械类型器件快数千倍,且插入损耗低。
利用SiC JFET,甚至电路的线性运行也会有所改善,如电子负载;与Si-MOSFET相比,SiC零件不会让元件结构内出现电流拥塞,因为单个元件栅极阈值电压对温度不敏感。另一方面,Si-MOSFET有非常大的VGTH负温度系数,这会导致局部热点和热逃逸。

封装也将发展
SiC FET已经走进了更大功率、更高开关频率的新应用中,这距离最开始的起点只有几年时间。与硅器件发展的漫长时间相比,SiC才刚刚迈上征途,不过已经可以看到令人激动的性能里程碑了。

随着SiC FET可能应用领域的不断拓宽,封装选项也将变得更多。三针脚和四针脚形式的TO-247封装目前提供了当前许多IGBT和Si-MOSFET的插入式替代品,不过也可以使用TO220-3L器件。在表面安装款式中,D2PAK-3L和D2PAK-7L很受欢迎,而UnitedSiC生产的低型面DFN8x8因其低封装电感而适合非常高的运行频率。未来将提供更多SMD选项,而银烧结将越来越多地用于晶粒粘结,以提高热性能。使用SiC FET晶粒的模块将变得更为普及,并将有额定值为6000V或更高且使用堆叠式“超共源共栅”布置的版本。它们将应用于MV-XFC快速充电器、牵引、可再生能源发电、固态变压器和高压直流输电(HVDC)。

未来世代
SiC FET已经走进了更大功率、更高开关频率的新应用中,这距离最开始的起点只有几年时间。与硅器件发展的漫长时间相比,SiC才刚刚迈上征途,不过已经可以看到令人激动的性能里程碑
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

Archiver|手机版|小黑屋|罗姆半导体技术社区

GMT+8, 2020-10-25 16:13 , Processed in 0.069845 second(s), 13 queries , MemCache On.

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2020, Tencent Cloud.

快速回复 返回顶部 返回列表