SiC热特性优异 电源转换效能更上层楼

发布者:快乐的成长最新更新时间:2018-01-04 来源: 新电子关键字:SiC 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

市场对切换速度、功率、机械应力和热应力耐受度之要求日益提升,而硅元件理论上正在接近性能上限。宽能带隙半导体元件因电、热、机械等各项性能表现具佳而被业界看好,被认为是硅半导体元件的替代技术。

在这些新材料中,相容硅技术制程的碳化硅(SiC)是最有前景的技术。碳化硅材料的电气特性使其适用于研制高击穿电压元件,但是,远高于普通硅元件的制造成本限制了其在中低压元件中的推广应用。在600V电压范围内,硅元件的性能非常好,CP值优于碳化硅元件。不过,应用要求晶片有更高的性能,而硅元件已经达到了极限。

本文评测了主切换采用意法半导体新产品650V SiC MOSFET的直流-直流升压转换器的电热特性,并将SiC碳化硅元件与新一代硅元件做了全面的比较。测试结果证明,新SiC碳化硅切换元件提升了切换性能的标杆,让系统具更高的效能,对市场上现有的系统设计影响较大。

最近几年,人们更加关注环境、效能和污染问题,导致电气效能标准趋严,这不只限于大功率应用,还包括低负载应用。现在,切换频率可以更高,同时切换损耗可以降至更低,本文介绍的650V碳化硅电晶体适用于应用场景。如表1所示,碳化硅的宽能带隙使电力元件具有很多优异的特性。

碳化硅的宽能带隙使电力元件具有很多优异的特性

更高的关键应用可使用掺杂程度更高的超薄裸片,其损耗相较其他晶片低很多。碳化硅热导率较硅元件高出很多,因此,功率损耗散热导致的温降在整个元件上都比较低。因为碳化硅的熔点温度更高,可以工作在400℃范围内,这些特性让人们更加看好碳化硅元件在切换速度、损耗、RDS(on)导通电阻、击穿电压方面的性能表现。事实上,击穿电压高于1,200V的碳化硅元件深受市场欢迎。是否选择超高击穿电压的碳化硅元件,不仅要考虑电气特性,还要考虑碳化硅的制造成本。对于600V电压以下碳化硅产品,以前市面上只有2吋或3吋碳化硅晶圆片,而且生产设备非常昂贵,因此,碳化硅元件的CP值不如硅元件。现在4吋和6吋碳化硅晶圆片十分常见,市场对碳化硅元件需求成长可以让厂商降低制造成本。600V SiC MOSFET开始出现在市面上,具有令人感兴趣的特性,适用于各种应用领域。

650V SiC克服MOSFET性能极限

如前文介绍,硅功率MOSFET元件的性能正在接近极限。意法半导体开发出一个60兆欧姆/650V SiC MOSFET产品原型,克服了600V功率MOSFET性能极限。为证明这款650V SiC MOSFET的优势,我们将其与当前最先进的超接面功率MOSFET对比。表2列出了这两种对比元件的电气参数。为了使测试条件具有可比性,我们选择两款150℃时RDS(on)参数相似的硅元件和碳化硅元件。

列出了这两种对比元件的电气参数。

不难发现,RDS(on)参数对应的热导系数不同。如图1所示,碳化硅元件的RDS(on)基本上与温度无关,最高阶面温高于同级的硅元件,这让工作温度更高,而不会导致损耗增加。切换损耗亦是如此(见图2)。 两个元件的另一个差别是驱动这两个元件完全导通需要不同的栅极电压,硅MOSFET是10V,碳化硅MOSFET是20V。

图1 归一化Ron SiC MOSFET与硅MOSFET对比

图2 SiC Eoff-温度曲线

我们在一个标准升压转换器(图3)内对比分析650V SiC MOSFET与先进的硅元件,为了解650V SiC MOSFET的特性,我们使用100kHz和200kHz切换频率进行对比。

图3 升压转换器

测试条件如下:

VIN=160V,VOUT=400V,

POUTmax=1600W,占空比=60%,升压二极体为碳化硅STPSC2006。

栅极驱动条件:

硅MOSFET:VGS=0/10V,RG(on)=5.6Ω,RG(OFF)=2.2Ω

碳化硅MOSFET:VGS=0/20V,RG(on)=

5.6Ω,RG(OFF)=2.2Ω

为降低外部因素对测试结果的影响,我们选用了封装(TO247)相同的硅MOSFET和碳化硅MOSFET,安装相同的空气冷却式散热器,记录并比较在各种负载条件下的效能。如图4所示,在fsw=200kHz时,碳化硅MOSFET的切换特性优于硅元件(100kHz开关频率亦是如此),从图5的效能和热曲线不难看出,碳化硅MOSFET的切换特性明显优于硅元件。

图4 开关损耗

图5 满负载时的效能与温度

在100kHz和200kHz开关频率时,两个测试显示,碳化硅MOSFET效能更高,且封装温度更低。从图中不难看出,当高频率切换时,碳化硅的优势比较突出。

新650V碳化硅MOSFET是高能效系统的最新产品。在硬切换应用中,这款产品能够提升效能,其采用新的热管理方法,有效提升功率/立方厘米。对于其固有参数,这款产品将能够用于软切换应用,这是将来的研发目标。


关键字:SiC 引用地址:SiC热特性优异 电源转换效能更上层楼

上一篇:三星新专利:通过指纹激活可卷曲显示屏
下一篇:除了孙正义 还有这两位半导体并购狂人

推荐阅读最新更新时间:2024-05-03 17:48

预计4月调试,天达晶阳碳化硅单晶体项目一期设备进场
目前,天达晶阳碳化硅单晶体项目正在进行无尘车间改造,一期54台碳化硅单晶生长炉已全部到场,30台已安装到位,预计4月底进行调试。 清河经济开发区消息显示,天达晶阳公司投资建设碳化硅单晶体项目,总投资约7.3亿元,项目建设分为两期。其中,第一期为年产4英寸碳化硅晶片1.2万片,使用单晶生长炉54台。第二期年产分别为4-8英寸碳化硅晶片10.8万片,增设相应生产能力的单晶生长炉及其配套的切、磨、抛和检测设备。 据介绍,河北天达晶阳半导体技术股份有限公司成立于2020年6月,注册资本10010万元,是专业从事第三代半导体材料研发、生产和销售的高精尖科技企业。公司以中国科学院物理研究所、北京天科合达半导体股份有限公司为技术依托,采用的
[手机便携]
汽车功率半导体将迎变革,现在布局SiC还有机会吗?
新能源汽车、通讯设备等产业链发展迅猛,对功率半导体需求大增,尤其是以SiC和GaN等为代表的第三代功率半导体的需求。据 Yole 指出,SiC 最大的应用市场来自汽车,利用 SiC 的解决方案可使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密。而随着SiC成本逐渐降低以及应用不断拓宽,未来市场发展前景广阔。 目前,国内SiC功率器件主要依赖进口,汽车产业链对此依赖程度尤为突出。为改变这种情况,在今年“两会”期间,民进中央提交的《关于推动中国功率半导体产业科学发展的提案》建议进一步完善功率半导体产业发展政策,要将功率半导体新材料研发列入国家计划,尽快实现功率半导体自主供给。未来我国新能源汽车产业链规模将进一步扩大,功率器件需求将迎来爆发,为此
[手机便携]
碳化硅项目遍地开花 2022年或成关键转折点 一图看懂产业链分布
据媒体报道,近日,投资160亿元的长沙三安第三代半导体项目,首批施工单体已全面进入主体施工阶段,第二批施工单体将于9月底完成基础施工,春节前完成所有单体封顶。 根据此前报道,该项目于7月20日正式开工,作为长沙17个制造业标志性重点项目之一,主要建设具有自主知识产权的衬底(碳化硅)、外延、芯片及封装产业生产基地,项目建成达产后将形成超百亿元的产业规模,并带动上下游配套产业产值预计逾千亿元。 资料显示,第三代半导体是指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料,目前比较成熟的有碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。 其中,碳化硅相较于传统半导体硅材料,在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势,是材料端革命性的突破。随着碳化
[新能源]
首片国产6英寸碳化硅晶圆产品在上海临港发布
据上海临港官微报道,10月16日,首片国产6英寸碳化硅(SiC)MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)晶圆在上海临港正式发布,填补了国内在此领域的空白,未来市场容量可达百亿美金。 2018年5月1日,首片国产6英寸碳化硅(SiC)MOSFET晶圆诞生于上海瞻芯电子科技有限公司(以下简称“上海瞻芯电子”)。 该国产6英寸碳化硅MOSFET晶圆,基于碳化硅也就是第三代半导体材料制成,用于例如新能源车、光伏发电等新能源产业。 据上海瞻芯电子创始人兼总经理张永熙介绍,如果用了碳化硅MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)新能源汽车作电驱动的话,续航里程可以有5%到10%的提升;比如说用了碳化硅工艺器件的光伏逆变器的话,效率也可以非常大的
[手机便携]
车载充电机OBC的技术方向与碳化硅应用方案
车载充电机(On-Board Charger,简称为OBC)的基本功能是:电网电压经由地面交流充电桩、交流充电口,连接至车载充电机,给车载动力电池进行慢速充电。 对于新能源汽车普通消费者而言,主要关注两个体验:一个是驾乘体验,包括动力性、舒适性、娱乐性等;另外一个则是充电体验。 充电体验是个什么概念呢?结合OBC的规格参数来说, 11kW的OBC,意味着充满88kWh的电池(续航里程大概在650km-750km),需要8h。如果与充满一部手机或者加满一辆燃油车的时间来对比,这个时间无疑是漫长。但需要注意的是,11kWh的OBC实际上已经算是功率较高的水平,满足日常需求完全没问题因此不断提高充电速率是OBC的发展方向。
[嵌入式]
车载充电机OBC的技术方向与<font color='red'>碳化硅</font>应用方案
应对汽车检测认证机构测试需求,泰克提供SiC性能评估整体测试解决方案
近年来,在国家“双碳”战略指引下,汽车行业油电切换提速,截至2022年新能源汽车渗透率已经超过25%。汽车电动化浪潮中,半导体增量主要来自于功率半导体,根据 Strategy Analytics,功率半导体在汽车半导体中的占比从传统燃油车的21%提升至纯电动车的55%,跃升为占比最大的半导体器件。 同其他车用电子零部件一样,车规级功率半导体也须通过AEC-Q100认证规范所涵盖的7大类别41项测试要求。对于传统的硅基半导体器件,业界已经建立了一套成熟有效的测试评估流程。而对于近两年被普遍应用于开发800V超充技术的三代半导体碳化硅(SiC)材料而言,由于其面世时间较短,缺陷暴露不充分,失效机理不清晰,对其进行科学有效的评估和验
[测试测量]
应对汽车检测认证机构测试需求,泰克提供<font color='red'>SiC</font>性能评估整体测试解决方案
发力SIC和车载雷达,博世的芯片布局越来越大
近日,博世集团旗下全资子公司Bosch Sensortec官方宣布其消费类传感器在中国本土出货量已超过20亿颗。这个数字不仅折射出了中国本土对消费类传感器的需求量之大,还展现出了博世在半导体行业当中不俗的实力。 而相比于消费电子领域,汽车领域才是博世深耕多年的领域。在汽车领域,博世是零部件供应商中较早认识到汽车行业正在向移动出行领域转型的公司之一。在博世以“未来移动出行”为重点战略的部署下,博世在汽车半导体领域也取得了不过的成绩——根据Strategy Analytics的数据,去年博世在380亿美元的汽车半导体市场中排名第六,所占份额为5.4%。 全力布局电动化是博世在2020年的主要任务之一。据外媒报道,2020
[半导体设计/制造]
发力<font color='red'>SIC</font>和车载雷达,博世的芯片布局越来越大
碳化硅很火,但不挣钱?
最近,一则消息引发芯片圈和投资圈集体焦虑,全球最大碳化硅(SiC)制造商Wolfspeed股价自1月以来已暴跌近50%,而美国激进投资公司Jana Partners给Wolfspeed北美总部董事会发了一封信,敦促这家公司探索一切提高股东价值的方法,包括被迫出售。 Wolfspeed则在次日回应,表示会仔细审查Jana这封信,并期待后续就此事与其接洽。 早在2016年,我们就曾被科锐(Cree)以8.5亿美元将Wolfspeed出售给英飞凌的新闻所刷屏,这几年,关于Wolfspeed考虑出售的消息不绝于耳,潜在买家也都说的有鼻子有眼的。 碳化硅这么热,为什么Wolfspeed这么惨,碳化硅究竟是不是一个好生意?
[电源管理]
<font color='red'>碳化硅</font>很火,但不挣钱?
小广播
最新手机便携文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved