碳化硅和氮化鎵技術在過去幾年中取得了巨大的發(fā)展，被證明是商業(yè)上可用的節(jié)能技術。來自領先半導體公司、大學和機構的講師解釋了寬帶隙半導體如何實現(xiàn)清潔能源制造、高科技、創(chuàng)造就業(yè)和節(jié)能。
英飛凌科技 SiC 高級總監(jiān) Peter Friedrichs 談到了SiC功率器件技術，重點關注器件設計、可靠性和系統(tǒng)效益等方面。根據(jù) Friedrichs 的說法，SiC 的價格仍然比硅高很多，這主要是由于襯底(晶圓)制造工藝及其較高的缺陷密度。然而，通過使用多個基板并降低缺陷密度，英飛凌能夠降低整體生產(chǎn)成本。
“在給定區(qū)域中可以放置的單元越多或通道寬度越多，設備的效率就越高;這也意味著最好的容量利用率是受青睞的概念，”弗里德里希斯說。
第一步，現(xiàn)在已經(jīng)在英飛凌的工廠生產(chǎn)，通過創(chuàng)新的冷裂技術實現(xiàn)，該技術可以有效地處理晶體材料，并最大限度地減少資源浪費。如今，傳統(tǒng)線鋸浪費高達 75% 的原材料，而已經(jīng)部署的 SiC 晶錠切割能夠將原材料損失減少 50%。在不久的將來，英飛凌將使用這項技術來分割整個 SiC 晶圓，從而使一個晶圓中的芯片數(shù)量增加一倍。
在 SiC 平面 MOSFET 中，溝道電阻通常非常高。這意味著只有在柵極氧化物上施加明顯更高的電場時，才能實現(xiàn)低導通電阻作為最終器件。今天，幾乎所有常見的 MOSFET 都有超過 3-MW/cm 的電場施加到柵極氧化物上。Planar 是一種相對簡單且便宜的加工工藝，可讓您在阻塞模式下實現(xiàn)對柵極氧化物的非常好的屏蔽。然而，它具有較低的通道遷移率和有限的器件面積縮小選項。另一方面是溝槽設計，它帶來了更低的導通電阻、更小的寄生電容和改進的開關性能等好處。然而，缺點是由于較低的導通電阻而降低了短路容限。
“我們認為碳化硅系統(tǒng)的優(yōu)勢和價值主張是驚人的和獨特的，包括太陽能逆變器——在功率處理能力顯著提高的同時保持體積和速率幾乎恒定——電機驅動和電動汽車充電，尤其是在超高達 350 kW 的大功率充電、非常高的電壓、非常高的電流和快速開關，”Friedrichs 說。
下一位演講者是 PowerAmerica 執(zhí)行董事兼 CTO Victor Veliadis，他談到了 SiC 的市場前景和一些關鍵應用。功率器件是能夠切換高電流和阻斷高電壓的大型分立晶體管。SiC 和 GaN 的臨界電場和能隙遠高于硅。因為擊穿電壓與臨界電場成反比，如果我們將臨界電場提高 10 倍，漂移層的厚度會變小 10 倍，從而降低我們正在制造的器件的電阻。對于特定的擊穿電壓，電阻將與臨界電場的三次方成反比。因此，如果我們有一個大 10 倍的臨界電場，該層的電阻貢獻將為 1，
“大的臨界電場使您能夠制造出層數(shù)比硅層薄得多的高壓器件，”Veliadis 說?！斑@降低了電阻、相關的傳導損耗和整體電容。這使您可以在更高的頻率和溫度下以更高的效率工作，并且簡化了許多磁路、體積和重量?！?/p>
雖然硅在高達 650 V 的較低電壓下仍然具有競爭力，但 SiC 和 GaN 在較高電壓下提供高效的高頻和大電流操作。Si、SiC 和 GaN 之間的大戰(zhàn)場在 650 V 左右展開，所有器件都適用于 400 V EV 總線電壓。
“看看一些機會，第一個是電動汽車的汽車，”Veliadis 說?！坝糜跀?shù)據(jù)中心的 UPS 是碳化硅可以發(fā)揮重要作用的另一個重要領域。其他應用包括綠色基礎設施——基本上是光伏和風能——電動機驅動、微電網(wǎng)和快速充電站。這就是需要 6.5 kV 和 10 kV MOSFET 的地方?！?/p>
到 2025 年，SiC 器件市場預計將達到 32 億美元，多年來的復合年增長率驚人，高達 50%。
寬帶隙器件可以是橫向或縱向配置。漏極和柵極之間的距離越大，器件可以承受的擊穿電壓就越高。但是，如果我們將這個距離增加這么多，設備會在晶圓上占用過多的空間，從而增加整體成本。解決方案是垂直。我們不是在水平方向上設置一個大的柵極來進行排水分離并占用晶圓上的空間，而是在垂直方向上這樣做。這就是絕大多數(shù) SiC 器件采用垂直配置的原因。
田納西州諾克斯維爾橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 車輛和移動系統(tǒng)研究部門負責人 Burak Ozpineci 介紹了電動汽車的電力電子設備。“我們仍然專注于純電動汽車，并著眼于超越 200 英里范圍、具有 60 千瓦時或更高能量存儲的電動汽車，”他說?！拔覀兡壳罢谘芯繉㈦姍C和電力電子設備集成到底盤內的方法?！?/p>
ORNL 的路線圖定義了實現(xiàn) 2025 年目標的途徑，其中包括提高功率密度、功率水平和車輛可靠性/壽命，將每千瓦的總成本減半。Ozpineci 介紹了 ORNL 在該領域開發(fā)的五個主要關鍵項目：
1. 尋找有助于我們實現(xiàn)更高功率密度的技術。這些技術包括新材料和基板(例如插入熱解石墨或直接鍵合銅的絕緣金屬基板)、用于散熱器優(yōu)化的遺傳算法以及減小直流母線電容器的體積。
1. 電動機的新拓撲。因為 ORNL 配備了超級計算機設施，所以它可以用來生成電機的高保真模型，例如外轉子電機，定子在里面，轉子在外面。
1. 外轉子電機將逆變器直接集成到電機中，省去了連接器和長電纜，并將電機尺寸減小多達 30%。這是第三個重點項目;也就是集成電驅動。
1. 中型和重型電力驅動。該項目旨在將研究領域從乘用車電驅動和零部件技術擴展到中型和重型電驅動。這意味著更高電壓的電池(1,000–1,500 V)、更高的電流水平和更高的充電功率要求(大于 1 MW)。
1. 無線充電。目前，該研究的重點是 200 kW 以上的固定或靜態(tài)無線充電。目標是達到 270 kW，這是只有 SiC 器件才能實現(xiàn)的功率水平，同時還考慮動態(tài)無線充電。
北卡羅來納州立大學的 Iqbal Husain 談到了驅動電動汽車高速電機的寬帶隙電力電子設備。電動動力系統(tǒng)中使用的四個主要功率轉換領域是逆變器、DC/DC 轉換器、為低壓電子設備供電的轉換器和車載充電器。因此，SiC 器件提供了這個機會，可以在各種轉換器中使用更小、更冷和更輕的系統(tǒng)來實現(xiàn)更小的電池或更長的行駛里程。
“在所有這些領域，都有使用碳化硅器件的機會，因為它們在可用性和商業(yè)生產(chǎn)方面的進步和所處的階段，”侯賽因說?！拔覀兊淖罱K目標是提高效率和功率密度。”
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