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碳化硅肖特基二极管的应用方向!

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作者:碳化硅肖特基二极管选型工程师来源:碳化硅肖特基功率器件

  本文主要介绍了碳化硅二极管的应用领域和历史,并详细说明了碳化硅MOS管的分类和结构。硅和碳的**成分是碳化硅(SiC),俗称金刚砂。碳化硅在自然界中以矿物碳硅石的形式存在,但非常罕见。然而,自1893年以来,粉末碳化硅已作为磨料大量生产。碳化硅作为磨料已经使用了一百多年,主要用于砂轮和许多其他研磨应用。


  在达到阈值电压(VT)之前,SiC具有高电阻。当达到阈值电压时,其电阻将大大降低,直到施加的电压降至VT以下。SiC利用这一特性最早的电气应用是配电系统中的避雷器(如图)。


  因为SiC有压敏电阻器,所以SiC芯柱可以接在高压线和地之间。如果电力线被雷击中,线电压会上升,超过SiC避雷器的阈值电压(VT),从而将雷电流导向并传递到地面(而不是电力线),从而不造成危害。但是这些SiC避雷器在电力线正常工作电压下导电太强。因此,火花隙必须串联。当电源线的电压因雷击导致上升时,火花隙会电离导电,有效地将SiC避雷器连接在电源线和地面之间。后来相关人员发现避雷器用的火花隙不可靠。由于材料故障、灰尘或盐侵入,可能会发生火花隙在需要时无法触发电弧,或闪电后电弧无法熄灭的情况。碳化硅避雷器最初是为了消除对火花隙的依赖,但由于其不可靠性,带间隙的碳化硅避雷器大多被氧化锌芯无间隙变阻器取代。


  电力电子学中的SiC。

碳化硅功率器件原材料

  碳化硅生产的半导体器件有很多种,包括肖特基二极管(也称为肖特基势垒二极管,或SBD),J型场效应晶体管(或JFET),以及用于大功率开关应用的场效应晶体管。一些公司开始尝试将碳化硅肖特基二极管裸芯片应用于电力电子模块。实际上,硅基片已经广泛应用于IGBT电源模块和功率因数校正电路中。


  SiC的优缺点。


  碳化硅基电力电子元件如此有吸引力的一个原因是,在给定的阻断电压下,它们的掺杂密度几乎是硅基器件的一百倍。这样,可以通过低导通电阻获得高阻断电压。低导通电阻对于大功率应用非常重要,因为当导通电阻降低时,产生的热量更少,从而降低系统热负荷并提高整体效率。


  然而,生产碳化硅基电子元件存在一些困难,消除缺陷已成为最重要的问题。这些缺陷会导致SiC晶体制成的元器件反向阻断性能较差。除了晶体质量问题,二氧化硅和SiC的界面问题也阻碍了SiC基功率MOSFET和绝缘栅双极晶体的发展。幸运的是,在生产中使用渗氮技术可以大大减少导致这些界面问题的缺陷。


  SiC研磨片。


  碳化硅在许多工业应用中仍被用作磨料。主要用作电子行业的抛光膜,用于拼接前对光纤两端进行抛光。这些光阑可以为光纤接头带来高平滑度,以便有效操作。碳化硅已经生产了一百多年,但直到最近才用于电力电子行业。由于其特殊的物理和电气特性,它在高压和高温应用中非常有用。


  如今,碳化硅二极管被用于各种领域。

SIC碳化硅器件应用趋势

  1.太阳能逆变器。


  太阳能发电用二极管的基础材料——碳化硅二极管,在各项技术指标上都优于普通双极二极管技术。碳化硅二极管的通断状态切换速度非常快,用普通双极二极管技术切换时没有反向恢复电流。消除反向恢复电流效应后,碳化硅二极管的能耗降低了70%,可以在较宽的温度范围内保持较高的能效,提高了设计人员优化系统工作频率的灵活性。


  2.新能源汽车充电器。


  通过汽车级产品测试后,碳化硅二极管的击穿电压提高到650伏,可以满足设计人员和汽车制造商降低电压补偿系数的要求,从而保证车载可充电半导体元件的标称电压和瞬时峰值电压之间有足够的安全裕度。双管二极管产品可以**限度地利用空间,减轻车载充电器的重量。


  3.开关电源的优点。


  碳化硅的使用可以非常快速地切换,以高频率操作,并且具有零恢复和与温度无关的行为。利用我们的低电感RP封装,这些二极管可以用于任何数量的快速开关二极管电路或高频转换器。


  4.产业优势。


  碳化硅二极管:重型电机和工业设备主要用于高频电源的转换器,可以带来高效率、大功率、高频的优势。


  SiC器件。


  1.SiC器件的分类。


  碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管.


  碳化硅场效应晶体管是碳化硅功率电子器件研究中最受关注的器件。如今,硅材料已接近理论性能极限,碳化硅功率器件因其耐压高、损耗低、效率高而被视为“理想器件”。然而,与以前的硅器件相比,性能与成本的平衡及其对高技术的需求将成为碳化硅功率器件推广的关键。


  二、碳化硅MOS的结构。


  N+源区和P阱金属氧化物半导体场效应晶体管通过离子注入进行N+掺杂,并在1700℃退火。另一个关键过程是碳化硅金属氧化物半导体栅极氧化物的形成。因为硅和碳原子都存在于碳化硅中,所以需要一种非常特殊的栅介质生长方法。沟槽结构的优点如下:


  碳化硅场效应晶体管的沟槽结构可以充分发挥碳化硅的特性。


  三、碳化硅MOS的优势。


  一般来说,硅IGBT只能在低于20kHz的频率下工作。由于材料的限制,无法实现高压高频硅器件。碳化硅MOSFET不仅适用于600V到10kV的宽电压范围,还具有单极器件的优良开关性能。与硅IGBT相比,当开关电路中没有电流尾时,碳化硅场效应晶体管具有更低的开关损耗和更高的工作频率。


  20kHz碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz硅IGBT模块低一半,50A碳化硅模块可以代替150A硅模块。它显示了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管在工作频率和效率方面的巨大优势。


  碳化硅MOSFET的寄生体二极管反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr非常小。如图,碳化硅MOSFET寄生二极管的反向电荷只有同电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路(尤其是LLC变换器工作在谐振频率以上时),这个指标非常关键,可以减少死区时间和体二极管反向恢复带来的损耗和噪声,方便提高开关频率。


  四、碳化硅MOS管的应用!


  碳化硅MOSFET模块在光伏、风力发电、电动汽车和轨道交通等中高功率系统的应用中具有很大的优势。碳化硅器件的高电压、高频、高效率等优点,可以突破现有电动车电机设计中器件性能的限制,是国内外电动车电机领域研发的重点。比如电装和丰田联合开发的混合动力汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)中的动力控制单元(PCU)采用碳化硅MOSFET模块,体积比降为1/5。三菱公司开发的EV电机驱动系统采用SiCMOSFET模块,将功率驱动模块集成到电机中,实现了集成化和小型化的目标。预计近年来国内外电动汽车将广泛使用碳化硅MOSFET模块。

碳化硅肖特基二极管应用方向!

  宽禁带第三代半导体碳化硅SiC功率器件、氮化镓GaN光电器件以及常规集成电路研发及产业化的高科技创新型企业,从事碳化硅场效应管,碳化硅肖特基二极管、GaN光电光耦继电器、单片机集成电路等产品芯片设计、生产与销售并提供相关产品整体方案设计配套服务,总部位于江苏省无锡市高新技术开发区内,并在杭州、深圳和香港设有研发中心和销售服务支持中心及办事处。


  公司的碳化硅功率器件涵盖650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,产品已经投入批量生产,产品完全可以对标国际品牌同行的先进品质及水平。先后推出全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、通过工业级、车规级可靠性测试的碳化硅MOSFET系列产品,性能达到国际先进水平,应用于太阳能逆变电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频电焊、轨道交通、工业控制特种电源、国防军工等领域。由于其具有高速开关和低导通电阻的特性,即使在高温条件下也能体现优异的电气特性,大幅降低开关损耗,使元器件更小型化及轻量化,效能更高效,提高系统整体可靠性,可使电动汽车在续航里程提升10%,整车重量降低5%左右,并实现设计用充电桩的高温环境下安全、稳定运行。

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