Bạn phải biết lý thuyết thùng: thùng có thể chứa bao nhiêu nước phụ thuộc vào miếng gỗ ngắn nhất. Đối với những người làm nghiên cứu, chỉ cần một điểm là tốt; đối với các ứng dụng, hiệu suất tổng thể phải luôn được xem xét và tìm ra hiệu suất phù hợp nhất cho thị trường. Các tính chất cacbua silic khác nhau thuận tiện để phù hợp với các nhu cầu khác nhau. Thông tin cụ thể hơn về tính chất cacbua silic, vui lòng tham khảo1.11 TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CACBIDE SILICONtrên Xiamen Powerway Advanced Material Co., Ltd. (PAM-Hạ Môn).

Theo khoảng cách giới hạn,vật liệu bán dẫnđược chia thành chất bán dẫn thế hệ thứ nhất, chất bán dẫn thế hệ thứ hai và chất bán dẫn thế hệ thứ ba. Vật liệu liên quan đến độ rộng vùng cấm, kiểu vùng cấm, cường độ trường đánh thủng, độ linh động của điện tử, độ linh động của lỗ trống, tốc độ trôi electron bão hòa, độ dẫn nhiệt, hằng số điện môi, độ cứng và các đặc tính khác.

Tuy nhiên, thứ mà thị trường cần không phải là các tài sản. Thị trường thực sự cần các thiết bị có hiệu suất tần số cao nhất, như biến tần, hơn là hiệu suất của vật liệu bán dẫn. Nhưng các đặc tính trong cacbua silic là cơ sở để nhận ra hiệu suất của các thiết bị mạch điện tử. Bạn có thể kết hợp mối quan hệ giữa nhu cầu và hiệu suất để có được nguyên liệu cuối cùng cần thiết. Cần lưu ý rằng các đặc tính của tấm silicon cacbua có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của nhiều thiết bị; tương tự, việc thực hiện hiệu suất của một thiết bị cũng đòi hỏi sự thỏa mãn về hiệu suất của nhiều vật liệu.

Ví dụ, nếu cấu trúc của dải năng lượng là một vùng cấm trực tiếp, xác suất các điện tử chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp để phát ra ánh sáng thay vì chuyển thành nhiệt, điều này phù hợp hơn với đèn LED hoặc laze như một vật liệu làm việc. Với tính dẫn nhiệt cao, có nghĩa là cùng một sinh nhiệt, vật liệu có thể nhanh chóng dẫn nhiệt ra môi trường xung quanh.

Để giới thiệu cụ thể các đặc tính của cacbua silic, chúng tôi bắt đầu từ việc phân tích các yêu cầu của thiết bị. Có một mô hình đơn giản để mô tả các yêu cầu: nhiều thiết bị hơn, hiệu quả cao, công nghệ tốt và tiết kiệm chi phí.

1. Nhiều thiết bị hơn: các thiết bị phải đủ nhỏ để có đủ thiết bị;
2. Hiệu quả cao: công nghệ có thể được thực hiện kịp thời;
3. Công nghệ tốt: công nghệ có thể đáp ứng nhu cầu thị trường và có đủ thị trường phụ. Các yêu cầu cụ thể của điểm này giống như bốn yêu cầu chính của bộ sạc: kích thước nhỏ, sạc nhanh, ít hao hụt và an toàn;
4. Tiết kiệm chi phí: chi phí đủ thấp để có lợi nhuận hỗ trợ cho sự phát triển không ngừng của doanh nghiệp.

1. SiC MOSFETs Thay thế Si IGBTs Baesd trên Phân tích tính chất cacbua silic

Tại sao sử dụng SiC MOSFETs để thay thế Si IGBTs cho các thiết bị? Lý do sẽ được giải thích thông qua tính chất cacbua silic trên mô hình đơn giản như sau.

1.1 Công nghệ tốt

Đối với bộ chuyển đổi nguồn, các yêu cầu về tần số và điện áp chịu đựng phải được đáp ứng, và tiêu chuẩn cần đáp ứng là tổn thất. Thiết bị bán dẫn hoạt động ở trạng thái chuyển mạch, tức là nó đang bật hoặc tắt. Các dạng sóng điện áp và dòng điện lý tưởng được hiển thị trong hình bên trái bên dưới. Dòng điện chạy ở trạng thái bật, điện áp giảm bằng 0 và dòng điện ở trạng thái tắt bằng không.

Nhưng trên thực tế, có bốn loại tổn thất như sau:

* Có dòng điện rò rỉ IL khi nó bị tắt, cũng tạo ra mất mát ngoài trạng thái;

* Trong quá trình bật tắt, điện áp và dòng điện cần có một khoảng thời gian nhất định để thay đổi, đó là thời gian đóng cắt. Điện áp và dòng điện chồng lên nhau trong quá trình chuyển mạch, dẫn đến tổn thất khi chuyển mạch.

* Khi bật mạch, điện áp không bằng không, và có một điện áp bão hòa VF giảm nhất định. Tại thời điểm này, theo công thức công suất W = Uit, có một tổn thất trên trạng thái;

* Tổn thất chuyển mạch tương tự bị cắt tại thời điểm này, tương ứng với tổn thất cắt.

Suy hao = mất mát tĩnh + mất mát chuyển mạch. Tổn thất tĩnh = tổn thất trên trạng thái + tổn thất ngoài trạng thái; tổn thất chuyển mạch / tổn thất động = tổn thất dẫn + tổn thất cắt.

Nói chung, tổn thất ngoài trạng thái là rất nhỏ, vì vậy không cần phải xem xét nó. Bởi vì chế độ sử dụng là cố định, hiệu suất của thiết bị xác định tổn thất trên trạng thái là sụt áp bão hòa và đặc tính điện silic cacbua trong các thiết bị xác định tổn thất chuyển mạch là thời gian chuyển mạch.

Như trong hình dưới đây, khi tần số chuyển mạch tăng lên, thời gian bật và tắt phải ngắn hơn, và tỷ lệ tổn thất trạng thái trong tổng tổn thất cũng không ngừng giảm xuống; tổn thất chuyển mạch - số lần chuyển mạch đang tăng lên, làm cho tổng thời gian chuyển mạch tăng lên. Đó là độ linh động của điện tử quyết định hiệu suất hoạt động tần số cao trong điều kiện điện áp thấp và tốc độ trôi bão hòa xác định hiệu suất hoạt động tần số cao trong điều kiện điện áp cao.

Khi Si MOSFET ra thị trường, chúng đáp ứng trực tiếp nhu cầu thị trường về tần số thấp và điện áp thấp. Tuy nhiên, có một vấn đề trong Si MOSFET: nếu muốn cải thiện khả năng chịu điện áp thì chip phải dày hơn tương ứng, dẫn đến suy hao trạng thái cao. Tức là, điện áp chịu đựng được tăng gấp đôi, và điện trở bật sẽ gấp 5 đến 6 lần so với ban đầu. Do đó, tổn thất trên trạng thái Si MOSFET cao áp là rất lớn, điều này hạn chế việc áp dụng MOSFET trong các trường hợp điện áp cao. Đó là lý do mà cấu trúc Si IGBT (bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện) được đề xuất để cải thiện điện trở điện áp của Si MOSFET.

So với MOSFET, IGBT có thêm một lớp pha tạp P, lớp này được biến đổi thành một thiết bị lưỡng cực. Hiệu ứng điều biến độ dẫn của nó có thể làm giảm đáng kể điện trở, do đó IGBT điện áp cao vẫn có thể duy trì mức sụt áp trên trạng thái tương đối thấp, do đó giảm đáng kể tổn thất trên trạng thái. Tuy nhiên, hiệu ứng điều biến độ dẫn có cả mặt tích cực và tiêu cực. Khi tắt, các hạt tải điện thiểu số cần kết hợp lại một cách tự nhiên, và không có điện trường bên ngoài trong quá trình này, dẫn đến sự tồn tại của dòng điện nối đuôi nhau. Suy hao chuyển mạch rất lớn, điều này hạn chế các ứng dụng của IGBT trong các ứng dụng tần số cao. Nói chung, tần số hoạt động chỉ có thể ở mức vài kHz.

Sự ra đời của tinh thể đặc tính cacbua silic đã cải thiện khả năng chịu điện áp của MOSFEETs từ một hướng khác. Vì trường đánh thủng của SiC rất mạnh nên chip sẽ rất mỏng dưới điện áp chịu đựng cao. Cường độ trường đánh thủng liên quan đến độ rộng vùng cấm. Nói chung, chất bán dẫn có khoảng cách vùng cấm rộng có khả năng chịu đựng tốt hơn Si. Và độ mỏng này cũng làm giảm điện trở trên, do đó khắc phục được khuyết điểm về tổn hao chuyển mạch lớn của IGBT.

Do đó, các đặc tính của cacbua silic có thể giúp thiết bị đạt được nồng độ pha tạp cao hơn và thiết bị mỏng hơn, thu được điện trở tương đối thấp trong điều kiện điện áp chịu đựng cao.

1.2 Các thiết bị khác

Ưu điểm của SiC wafer không chỉ là giảm tổn thất dẫn điện. Đối với công tắc nguồn, chúng ta cần chú trọng đến vấn đề tản nhiệt và tản nhiệt. Đặc tính nhiệt của cacbua silic lớn, vì vậy tản nhiệt SiC wafer sẽ dễ dàng hơn. Điều này làm giảm đáng kể việc sử dụng các thành phần làm mát, cùng với cấu trúc mỏng hơn, thúc đẩy quá trình thu nhỏ của thiết bị. Điều này làm cho chất nền SiC wafer chiếm ưu thế trong các ứng dụng công suất cao. Khi công suất thấp hơn một chút, GaN có độ linh động electron cao hơn, vì vậy nó có thể có tốc độ chuyển mạch cao hơn SiC hoặc Si. Trong các ứng dụng tần số cao công suất thấp, GaN có lợi thế.

1.3 Hiệu quả cao

Với sự phát triển của công nghệ SiC, SiC MOSFETs có thể thay thế một số IGBT Si trong điều kiện công suất từ ​​100kW-10MW và tần số hoạt động từ 10kHz-100MHz. Đặc biệt đối với một số ứng dụng, những ứng dụng yêu cầu hiệu quả năng lượng cao và kích thước không gian, chẳng hạn như bộ sạc và hệ thống truyền động điện, cọc sạc, bộ biến tần vi quang điện, đường sắt tốc độ cao, lưới điện thông minh và nguồn điện cấp công nghiệp.

1.4 Tiết kiệm chi phí

Tiết kiệm chi phí phụ thuộc vào giá của toàn bộ thiết bị, không phải giá của một linh kiện. Giá sản phẩm SiC gấp 5-6 lần sản phẩm Si, giảm với tốc độ 10% / năm. Với sự mở rộng của các nguyên vật liệu và thiết bị thượng nguồn, nguồn cung thị trường sẽ tăng trong 2 đến 3 năm tới và giá sẽ giảm hơn nữa. Người ta ước tính rằng khi giá thành gấp 2 ~ 3 lần sản phẩm Si tương ứng, những ưu điểm do giảm giá thành hệ thống và nâng cao hiệu suất sẽ thúc đẩy thiết bị silic cacbua dần dần chiếm lĩnh thị trường thiết bị silicon.

Nhiều chỉ số mà SiC MOSFETs cần đáp ứng:

2. Tại sao không sử dụng SiC Wafer làm IGBT?

Giờ đây, MOSFET trên tinh thể thuộc tính cacbua silic có thể đạt được điện áp chịu đựng 6kV, đã có thể bao phủ mức điện áp chịu đựng hiện tại của Si IGBT. Cấu trúc chip của MOSFET đơn giản hơn IGBT. Do đó, không cần sử dụng cacbua silic trên quy mô lớn để chế tạo IGBT, điều này sẽ gây lãng phí chi phí. Hiện nay, chỉ có một số trường hợp sử dụng thiết bị chuyển mạch điện áp chịu đựng cao cấp 10kV, chẳng hạn như một số trạm biến đổi và trạm kéo.

Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email victorchan@powerwaywafer.com và powerwaymaterial@gmail.com.