يجب أن تعرف نظرية البرميل: يعتمد مقدار الماء الذي يمكن أن يحمله الدلو على أقصر قطعة من الخشب. بالنسبة لأولئك الذين يجرون الأبحاث ، هناك نقطة واحدة فقط جيدة ؛ بالنسبة للتطبيقات ، يجب دائمًا مراعاة الأداء العام والعثور على أنسب أداء للسوق. خصائص كربيد السيليكون المختلفة ملائمة لتتناسب مع المتطلبات المختلفة. مزيد من المعلومات المحددة حول خصائص كربيد السيليكون ، يرجى الرجوع إلى1.11 خصائص مواد كربيد السيليكونعلى شركة Xiamen Powerway Advanced Material Co.، Ltd. (PAM-شيامن).
وفقًا لفجوة النطاق ،مواد أشباه الموصلاتتنقسم إلى أشباه الموصلات من الجيل الأول ، وأشباه الموصلات من الجيل الثاني ، وأشباه الموصلات من الجيل الثالث. تتضمن المادة فجوة النطاق ، ونوع فجوة النطاق ، وقوة مجال الانهيار ، وحركة الإلكترون ، وحركة الثقب ، ومعدل انجراف الإلكترون المشبع ، والتوصيل الحراري ، وثابت العزل ، والصلابة ، وخصائص أخرى.
ومع ذلك ، فإن ما يحتاجه السوق ليس الخصائص. يحتاج السوق حقًا إلى الأجهزة ذات الأداء العالي للتردد ، مثل العاكس ، بدلاً من أداء مواد أشباه الموصلات. لكن الخصائص في كربيد السيليكون هي الأساس لتحقيق أداء أجهزة الدوائر الإلكترونية. يمكنك الجمع بين العلاقة بين الطلب والأداء للحصول على المادة النهائية المطلوبة. وتجدر الإشارة إلى أن خصائص رقاقة كربيد السيليكون قد تؤثر على أداء أجهزة متعددة ؛ وبالمثل ، يتطلب تحقيق أداء الجهاز أيضًا إرضاء أداء المواد المتعددة.
على سبيل المثال ، إذا كان هيكل نطاق الطاقة عبارة عن فجوة نطاق مباشرة ، فإن احتمال انتقال الإلكترونات من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى طاقة منخفض لإصدار الضوء يكون أكبر ، بدلاً من التحول إلى حرارة ، وهو أكثر ملاءمة لمصابيح LED أو الليزر كمادة عمل. مع الموصلية الحرارية العالية ، مما يعني نفس توليد الحرارة ، يمكن للمادة أن تنقل الحرارة بسرعة إلى البيئة المحيطة.
لتقديم خصائص كربيد السيليكون على وجه التحديد ، نبدأ من تحليل متطلبات الجهاز. هناك نموذج بسيط لوصف المتطلبات: المزيد من الأجهزة ، والكفاءة العالية ، والتكنولوجيا الجيدة ، وتوفير التكاليف.
- المزيد من الأجهزة: يجب أن تكون الأجهزة صغيرة بما يكفي ، بحيث يكون هناك أجهزة كافية ؛
- كفاءة عالية: يمكن تحقيق التكنولوجيا في الوقت المناسب ؛
- التكنولوجيا الجيدة: يمكن للتكنولوجيا أن تلبي متطلبات السوق ، وهناك أسواق فرعية كافية. المتطلبات المحددة لهذه النقطة تشبه المتطلبات الأربعة الرئيسية للشاحن: الحجم الصغير ، الشحن السريع ، الخسارة المنخفضة ، والسلامة ؛
- توفير التكلفة: التكلفة منخفضة بما يكفي ، بحيث يمكن للأرباح أن تدعم التطوير المستمر للمشروع.
1. SiC MOSFETs تحل محل Si IGBTs Baesd في تحليل خصائص كربيد السيليكون
لماذا استخدام SiC MOSFETs لاستبدال Si IGBTs للأجهزة؟ سيتم شرح الأسباب من خلال خصائص كربيد السيليكون في النموذج البسيط على النحو التالي.
1.1 التكنولوجيا الجيدة
بالنسبة لمحولات الطاقة ، يجب تلبية متطلبات التردد وتحمل متطلبات الجهد ، والمعيار الذي يجب تلبيته هو الخسارة. يعمل جهاز أشباه الموصلات في حالة التبديل ، أي أنه إما في وضع التشغيل أو الإيقاف. يظهر الجهد المثالي وأشكال الموجة الحالية في الشكل الأيسر أدناه. يتدفق التيار في حالة التشغيل ، ويكون انخفاض الجهد 0 ، والتيار في حالة إيقاف التشغيل هو صفر.
لكن في الواقع ، هناك أربعة أنواع من الخسائر كما هو موضح أدناه:
* يوجد تيار تسرب IL عند إيقاف تشغيله ، مما ينتج عنه أيضًا خسارة خارج الحالة ؛
* في عملية التشغيل والإيقاف ، يحتاج الجهد والتيار إلى قدر معين من الوقت للتغيير ، وهو وقت التبديل. يتداخل الجهد والتيار أثناء عملية التبديل ، مما يؤدي إلى خسائر التحويل.
* عند تشغيل الدائرة ، لا يكون الجهد صفرًا ، وهناك انخفاض معين في جهد التشبع VF. في هذه اللحظة ، وفقًا لمعادلة الطاقة W = Uit ، هناك خسارة في الحالة ؛
* يتم قطع نفس خسارة التبديل في هذا الوقت ، بما يتوافق مع خسارة القطع.
الخسارة = خسارة ثابتة + خسارة التبديل. خسارة ثابتة = خسارة في الحالة + خسارة خارج الحالة ؛ خسارة التبديل / الخسارة الديناميكية = خسارة التوصيل + خسارة القطع.
بشكل عام ، تكون الخسارة خارج الدولة صغيرة للغاية ، لذلك لا داعي لأخذها في الاعتبار. نظرًا لأن وضع الاستخدام ثابت ، فإن أداء الجهاز الذي يحدد الخسارة في الحالة هو انخفاض جهد التشبع ، وخصائص كربيد السيليكون الكهربائية في الأجهزة التي تحدد فقدان التبديل هي وقت التبديل.
كما هو موضح في الشكل أدناه ، مع ارتفاع تردد التبديل ، يجب أن يكون وقت التشغيل والإيقاف أقصر ، كما أن نسبة الخسارة على الحالة في الخسارة الإجمالية تتناقص باستمرار ؛ خسارة التبديل - عدد مرات التبديل آخذ في الازدياد ، مما يجعل وقت التبديل الإجمالي يرتفع. إن تنقل الإلكترون هو الذي يحدد أداء التشغيل عالي التردد في ظل ظروف الجهد المنخفض ، ويحدد معدل انجراف التشبع أداء التشغيل عالي التردد في ظل ظروف الجهد العالي.
عندما يتم طرح Si MOSFETs في السوق ، فإنها تلبي بشكل مباشر طلب السوق من الترددات المنخفضة والجهد المنخفض. ومع ذلك ، هناك مشكلة في Si MOSFET: إذا كان سيتم تحسين قدرة تحمل الجهد ، فيجب أن تكون الشريحة أكثر سمكًا وفقًا لذلك ، مما يؤدي إلى خسارة عالية في الحالة. أي أن جهد الصمود يتضاعف ، وستكون المقاومة على المقاومة من 5 إلى 6 مرات من الأصل. لذلك ، فإن خسارة Si MOSFET ذات الجهد العالي في الحالة كبيرة جدًا ، مما يقيد تطبيق MOSFET في مناسبات الجهد العالي. هذا هو السبب في اقتراح هيكل Si IGBT (الترانزستور ثنائي القطب المعزول للبوابة) لتحسين مقاومة الجهد لـ Si MOSFET.
بالمقارنة مع MOSFET ، فإن IGBT لديها طبقة إضافية من طبقة P-doped ، والتي تتحول إلى جهاز ثنائي القطب. يمكن أن يؤدي تأثير تعديل الموصلية إلى تقليل المقاومة بشكل كبير ، لذلك لا يزال بإمكان IGBT عالي الجهد الحفاظ على انخفاض الجهد المنخفض نسبيًا في الحالة ، وبالتالي تقليل الخسارة على الحالة بشكل كبير. ومع ذلك ، فإن تأثير تعديل الموصلية له جوانب إيجابية وسلبية. عند إيقاف التشغيل ، تحتاج ناقلات الأقلية إلى إعادة الاتحاد بشكل طبيعي ، ولا يوجد مجال كهربائي خارجي في هذه العملية ، مما يؤدي إلى وجود مخلفات التيار. فقدان التبديل كبير جدًا ، مما يقيد تطبيقات IGBT في التطبيقات عالية التردد. بشكل عام ، يمكن أن يكون تردد التشغيل عند مستوى بضعة كيلوهرتز فقط.
أدى إدخال خصائص كربيد السيليكون إلى تحسين مقاومة الجهد للـ MOSFEETs من اتجاه آخر. نظرًا لأن مجال انهيار SiC قوي ، ستكون الشريحة رفيعة جدًا تحت جهد تحمل عالي. ترتبط شدة مجال الانهيار بعرض فجوة النطاق. بشكل عام ، أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض أكثر مقاومة من Si. ويقلل هذا النحافة أيضًا من المقاومة ، وبالتالي التغلب على عيب خسائر التبديل الكبيرة لـ IGBT.
| الأجهزة والمواد | الجهد المنخفض <300 فولت | جهد عالي 300-900 فولت | الجهد العالي الفائق ＞ 900 فولت | |
| تردد تحويل منخفض 10 كيلو هرتز | سي الخندق | سي SJ | سي IGBT | سي IGBT |
| – | – | – | SiC | |
| تردد تحويل متوسط 100 كيلو هرتز | سي الخندق | – | – | SiC |
| الجاليوم | الجاليوم | SiC | ||
| تردد تحويل عالي | الجاليوم | الجاليوم | SiC | SiC |
لذلك ، يمكن أن تساعد خصائص كربيد السيليكون الأجهزة على تحقيق تركيز أعلى للمنشطات وأجهزة أرق ، والحصول على مقاومة منخفضة نسبيًا في حالة الجهد العالي.
1.2 المزيد من الأجهزة
لا تكمن ميزة رقاقة SiC في تقليل خسائر التوصيل فقط. بالنسبة لمفاتيح الطاقة ، نحتاج إلى التركيز على الحرارة وتبديد الحرارة. الخصائص الحرارية لكربيد السيليكون كبيرة ، لذلك سيكون من السهل تحقيق تبديد حرارة رقاقة SiC. هذا يقلل بشكل كبير من استخدام مكونات التبريد ، جنبًا إلى جنب مع الهيكل الرقيق ، مما يعزز تصغير الجهاز. هذا يجعل ركيزة رقاقة SiC مهيمنة في التطبيقات عالية الطاقة. عندما تكون الطاقة أقل قليلاً ، فإن الجاليوم لديه قدرة أعلى على الحركة الإلكترونية ، لذلك يمكن أن يكون لها سرعة تحويل أعلى من SiC أو Si. في تطبيقات التردد العالي منخفضة الطاقة ، تتميز GaN بمزايا.
1.3 كفاءة عالية
مع تطوير تقنية SiC ، يمكن أن تحل SiC MOSFETs محل بعض Si IGBTs في الحالة التي تكون فيها الطاقة بين 100kW-10MW وتردد التشغيل بين 10kHz-100MHz. خاصة بالنسبة لبعض التطبيقات ، تتطلب تلك التطبيقات كفاءة عالية في استخدام الطاقة وحجمًا للمساحة ، مثل أجهزة الشحن وأنظمة القيادة الكهربائية ، وأكوام الشحن ، والمحولات الكهروضوئية الدقيقة ، والسكك الحديدية عالية السرعة ، والشبكات الذكية ، وإمدادات الطاقة الصناعية.
1.4 توفير التكاليف
يعتمد توفير التكلفة على سعر الجهاز بالكامل ، وليس سعر المكون. يبلغ سعر منتجات SiC 5-6 أضعاف سعر منتجات Si ، وينخفض بمعدل 10٪ سنويًا. مع توسع المواد والأجهزة الأولية ، سيزداد المعروض في السوق في السنتين إلى الثلاث سنوات القادمة ، وسينخفض السعر أكثر. من المقدر أنه عندما يصل السعر إلى 2 ~ 3 مرات من منتج Si المقابل ، فإن المزايا الناتجة عن تقليل تكلفة النظام وتحسين الأداء ستعزز أجهزة كربيد السيليكون لتحتل تدريجياً سوق أجهزة السيليكون.
المؤشرات المتعددة التي تحتاج دوائر SiC MOSFET للوفاء بها:
| خصائص كربيد السيليكون على الترانزستورات | الحزم واستقرار الإنتاج |
| الخصائص الثابتة | جهد العتبة |
| موثوقية أكسيد البوابة | |
| القدرة على قصر الدائرة | |
| الخصائص الديناميكية | سهولة الاستعمال |
| استقرار إنتاج رقاقة | |
| أكثر |
2. لماذا لا تستخدم رقاقة SiC مثل IGBT؟
الآن MOSFET على خصائص كربيد السيليكون يمكن أن تحقق البلورة جهدًا مقاومًا يبلغ 6 كيلو فولت ، والذي يمكنه بالفعل تغطية مستوى الجهد الحالي لتحمل Si IGBT. هيكل رقاقة MOSFET أبسط من IGBT. وبالتالي ، ليست هناك حاجة لاستخدام كربيد السيليكون على نطاق واسع لصنع IGBT ، مما سيهدر التكلفة. الآن ، هناك مناسبات قليلة فقط تستخدم مفاتيح الجهد العالي الصمود بمستوى 10 كيلو فولت ، مثل بعض محطات التحويل ومحطات الجر.
لمزيد من المعلومات ، يرجى الاتصال بنا على البريد الإلكتروني على victorchan@powerwaywafer.com و powerwaymaterial@gmail.com.