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第三代半导体与硅器件未来将长期共存

作者:英飞凌科技时间:2022-07-24来源:电子产品世界收藏

目前全球能源需求的三分之一左右是用电需求,能源需求的日益增长,化石燃料资源的日渐耗竭,以及气候变化等问题,要求我们去寻找更智慧、更高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式。在整个能源转换链中,技术的节能潜力可为实现长期的全球节能目标做出很大贡献。除此之外,宽禁带产品和解决方案有利于提高效率、提高功率密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本,因此将在交通、新能源发电、储能、数据中心、智能楼宇、家电、个人电子设备等极为广泛的应用场景中为能效提升做出贡献。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202207/436571.htm

除高速之外,碳化硅还具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,尤其适合对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用。

功率密度是器件技术价值的另一个重要方面。SiC MOSFET 芯片面积比 IGBT 小很多,譬如 100 A 1200 V 的 SiC MOSFET 芯片大小大约是 IGBT 与续流二级管之和的五分之一。因此,在电机驱动应用中,SiC MOSFET 的价值能够得到很好的体现,其中包括 650 V SiC MOSFET。

在耐高压方面,1200 V 以上高压的 SiC 高速器件,可以通过提高系统的开关频率来提高系统性能,提高系统功率密度。

正是由于 SiC MOSFET 这些出色的性能,其在光伏逆变器、UPS、ESS、电动汽车充电、燃料电池、电机驱动和电动汽车等领域都有相应的应用。然而,碳化硅是否会成为通吃一切应用的终极解决方案呢?

众所周知,硅基功率半导体的代表——IGBT 技术,在进一步提升性能方面遇到了一些困难。开关损耗与导通饱和压降降低相互制约,降低损耗和提升效率的空间越来越小,于是业界开始希望 SiC 能够成为颠覆性的技术。但是,这样的看法不是很全面。首先,以为代表的硅基 IGBT 的技术也在进步,伴随着封装技术的进步,IGBT 器件的性能和功率密度越来越高。同时,针对不同的应用而开发的产品,可以做一些特别的优化处理,从而提高硅器件在系统中的表现,进而提高系统性能和性价比。因此,的发展进程,必然是与硅器件相伴而行,在技术发展的同时,还有针对不同应用的大规模商业化价值因素的考量,期望很快在所有应用场景中替代硅器件是不现实的。

1 新能源汽车的机遇

在新能源汽车相关领域,续航里程和电池装机量是关键,SiC 技术能够显著的提升续航里程,或者相同续航里程下,降低电池装机量和成本。因此,SiC 正在越来越多地被采用,特别是在牵引主逆变器、车载充电机 OBC 以及高低压 DC-DC 转换器中。SiC 为上述应用带来的技术优势。

牵引主逆变器:

● 提升电池利用率超过 5%;

● 更高功率密度可减小系统尺寸;

● 轻载情况下具有更低导通损耗;

● 比硅基 IGBT 更低的开关损耗;

● 对冷却要求较低,被动元件更少,进而降低系统成本。

车载充电机 OBC 及 DC-DC:

● 更快的开关速度有助于减少被动元件,从而提升功率密度,或者实现更小的尺寸;

● CoolSiC™ 车规级 MOSFET 在高速开关的情况下具有业界最低的开关损耗;

● 在 PFC 和 DC-DC 阶段,车载充电机的效率可提升 1%,因而冷却要求更低;

● 在图腾柱拓扑结构中支持双向充电。

这里需要强调的是,在未来数年中,不同的半导体技术将并存于市场中,在不同的应用场景中分别具有特殊的优势。在牵引逆变器中,基于不同的里程、效率和成本考量,SiC 和硅基 IGBT 各有各的发挥空间。例如,SiC 用于后轮主牵引驱动,可提升巡航里程;而硅基 IGBT 则用于前轮,以便优化成本。在极端情况下,例如车载充电机中,在同一架构下,会同时采用多达五种不同的半导体技术,包括 IGBT,硅基二极管、硅基 MOSFET,超结 MOSFET 和 SiC MOSFET。

2 氮化镓和碳化硅应用目标

相较于传统的硅材料,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的材料,具有更大的禁带宽度、更高的临界场强,使得基于这两种材料制作的功率半导体具有耐高压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性。碳化硅和氮化硅这两种宽禁带半导体材料之间也存在着诸多差异。

适用的电压等特性不同目标应用不同:碳化硅适用的电压范围为 650 V-3.3 kV,是 1200 V 以上的高频器件,同时兼有功率密度高的特点,有着广泛的应用领域,比如太阳能逆变器、新能源汽车充电、轨道交通、燃料电池中的高速空气压缩机、DC-DC 和电动汽车电机驱动以及数字化趋势下的数据中心等等,这些都将成为碳化硅的应用市场。在这些市场向超过 3000 个客户供应碳化硅产品。

相对于碳化硅,氮化镓适用的电压范围会低一些,从中压 80 V 到 650 V。不过它具有快速开关频率的特性,氮化镓的开关频率可以达到 MHz 级,因此它适用于开关频率最高的中等功率应用,例如快充、数据中心等。

相对于友商,的优势是同时拥有硅、氮化镓、碳化硅三种主要的功率半导体技术,在半导体设计、生产和各种应用领域积累了丰富的经验,这样可以完全做到以客户需求为导向,为其提供出色的产品和解决方案,从而满足客户独特的应用需求。

3 氮化镓落地的技术挑战及英飞凌的解决方案

这两年硅基氮化镓开关器件的商用化进程,和五年前市场的普遍看法已经发生了很大的变化,其中有目共睹的是基于氮化镓件的高功率密度快充的快速成长。这说明影响新材料市场发展的,技术只是众多因素当中的一个。未来五年,我们比较看好的氮化镓的应用领域包括:消费类快充、服务器 / 通信电源,马达驱动,工业电源,音响,无线充电,激光雷达等,其中快充会继续引领氮化镓开关器件的市场成长。

作为功率开关器件的硅基氮化镓在商用化的进程中,除了性能和价格,最引起关注的话题是长期可靠性。目前氮化镓开关器件绝大多数都是在硅衬底上生长氮化镓,并以二维电子气作为沟道的 GaN HEMT。从 2010 年 IR 发布的业界第一款硅基氮化镓开关器件到现在,整个业界对硅基氮化镓的研究可以说已经很深入了,但真正大规模的应还是在最近几年的事。相对而言,硅乃至碳化硅在市场上运行的时间要长得多,现存器件数量也大得多,因此氮化镓相对其他两种材料而言,可供分析的失效案例要少很多。这也是消费类的快充成为氮化镓快速成长引擎的其中一个原因。另外,因为硅基氮化镓超小的寄生参数,使其为用户带来极低开关损耗的优势之外,也大大提高了驱动此类器件的难度。

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(注:本文转载自《电子产品世界》2022年7月期)



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