限制硅功率开关驱动开发新材料,性能优越的承诺。
当我们进入一个新的计算时代推动物联网(物联网),大数据和人工智能(AI),更节能芯片的需求增长。在这种背景下,我们经常会考虑到摩尔定律和减少晶体管的大小。
然而,功率半导体的进步并不是由节点的大小减少。硅功率开关,如mosfet和igbt,设计用于处理电压12 v + 3.3 kv和数百安培的电流。这是一个很多力量通过这些开关!但是他们的能力有限制,这是推动发展的新材料如碳化硅(SiC),保证性能优越。
碳化硅是一种化合物半导体材料硅和碳硅相结合的超级英雄的表妹。三次需要更多的能量来允许一个电子在材料开始自由移动。这个更广泛的带隙材料更快切换等有趣的品质和更高的功率密度。我将突出两个用例,SiC设备可以提供显著的好处。
碳化硅在汽车
第一个例子是汽车。据研究公司Yole开发署、有超过10亿辆汽车在路上。截至2017年,190万年是电动汽车或约0.2%。比例预计将增长到2040年的50%,所以提高功率效率的影响可能是相当大的。
电动汽车通常有一个主电机,轮子。六个功率晶体管和二极管部署把马达。每个晶体管需要能够屏蔽700 v和切换几百安培。大多数电力开关使用脉冲宽度调制(PWM)技术,这意味着它们是开启和关闭每秒数千倍。晶体管开关时,有一个过渡之间的延迟状态(图1)。这就像把一个水tap-time需要完全打开和关闭阀门,并在此期间,一些水可能被浪费。同样的发生在一个晶体管。在电力应用程序中,一个关键的目标是开关设备尽快减少浪费力量和获得更高的效率。
图1所示。功率损耗发生在电压/电流时重叠MOSFET开关(来源:英飞凌科技)
我的结合更好的切换性能,低在电阻和高击穿电压使SiC设备理想的替代传统的硅功率mosfet,直流-直流转换器,不间断供电系统和电动机应用程序(图2)。
图2。碳化硅mosfet和igbt的性能优势。(来源:应用材料。)
最终,SiC场效电晶体可以帮助增加电动汽车的范围。他们可以用更少的电力驱动电动汽车的电动机。更高的开关频率会导致更高的功率密度和更小、更轻的汽车。减少浪费的热量允许使用更小,更轻的散热片,进一步优化重量和范围。
碳化硅在太阳能
SiC的另一个应用程序是太阳能逆变器可能只是大小的一半IGBT-based解决方案。碳化硅的更快的开关速度意味着制造商可以减少系统中无源元件的大小。大电容和变压器可以替换为更小的替代品。散热片的尺寸是可以减少的。随着系统效率增加,能量捕获最大化。
使原文如此
虽然有令人兴奋的潜力SiC设备,制造问题。一个主要的挑战是基质的缺陷。底面混乱和螺旋位错可以创建“致命缺陷”,必须减少对SiC设备实现商业成功所需的高收益。应用材料正在与生态系统的参与者包括碳化硅晶片制造商和IDMs专门解决工艺性问题。我们将在以后的博客中讨论这些发展。
许多行业预测者认为SiC最终将取代硅在更高的电压和功率的应用程序。随着行业拥抱原文如此,它可以接受更大的功率和效率的挑战而且所有superheroes-help使世界变得更美好。
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