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碳化硅有哪些优势?能应用在那些方面
发布时间:2020-11-20 10:25    文章作者:德扑

  (GaN)等宽能隙(WBG)材料发展,虽然硅仍然占据市场主流,但SiC与GaN器件很快就会催生新一代更高效的技术解决方案。

  据总部位于法国的市场研究机构Yole Développement估计,到2025年SiC器件市场营收将占据整体电力电子市场的10%以上,GaN器件的营收比例会超过2%。

  硅早已是大多数电子应用中的关键半导体材料,但与SiC相比,则显得效率低下。SiC现在已开始被多种应用采纳,特别是电动汽车,以应对开发高效率和高功率器件所面临的能源和成本挑战。

  SiC由纯硅和碳组成,与硅相比具有三大优势:更高的临界雪崩击穿场强、更大的导热系数和更宽的禁带。

  SiC具有3电子伏特(eV)的宽禁带,可以承受比硅大8倍的电压梯度而不会发生雪崩击穿。禁带越宽,在高温下的漏电流就越小,效率也越高。而导热系数越大,电流密度就越高。

  SiC衬底具有更高的电场强度,因而可以使用更薄的基础结构,其厚度可能仅为硅外延层的十分之一。此外,SiC的掺杂浓度比硅高2倍,因此器件的表面电阻降低了,传导损耗也显著减少。

  SiC现已公认为是一种能够可靠替代硅的技术。许多电源模块和电源逆变器制造商已在其未来产品路线图中规划使用SiC技术。

  这种宽禁带技术大幅降低了特定负载下的开关损耗和传导损耗,改善了散热管理,提供了前所未有的能效。在功率电子系统中,散热设计至关重要,它能确保高能量密度,同时缩小电路尺寸。在这些应用中,SiC因其3倍于硅半导体的导热系数而成为理想的半导体材料。

  SiC技术适用于功率较高的项目,例如电动机、驱动器和逆变器。电驱动器制造商正在开发新的驱动电路,以满足转换器对更高开关频率的需求,并采用更复杂巧妙的拓扑结构来减小电磁干扰(EMI)。

  SiC器件所需的外部元器件更少,系统布局更可靠,制造成本也更低。由于效率更高、外形尺寸更小以及重量更轻,智能设计的冷却要求也相应降低。

  新型高压电池是混动和电动汽车发展的主要障碍之一。利用SiC,汽车制造商可以缩小电池尺寸,同时降低电动汽车的总成本。

  此外,由于SiC具有良好的散热性能,因此制造商还可以降低冷却动力总成器件的成本。这有助于减小电动汽车的重量并降低成本。

  电动汽车/混动汽车也是安森美半导体的SiC战略重点市场之一。在近日举办的“安森美半导体碳化硅策略及方案”在线媒体交流会上,该公司电源方案部产品市场经理王利民介绍说,

  电动汽车是碳化硅的主要驱动力之一,将占整个碳化硅市场容量约60%。碳化硅器件应用于主驱、OBC和DC-DC,可大幅度提高效率,因此能给电动汽车增加续航能力。基于这些优点,目前几乎所有做主驱逆变器的厂家都以研究碳化硅做主驱为方向。

  车载充电器包含各种功率转换器件,例如二极管和MOSFET。其目标是通过使用小尺寸无源元件,使功率电子电路体积变小,从而将它们全部集成在一起。

  如果所用的半导体器件能够用高开关频率在相同的电路中进行控制,就可以实现这个目标。但是,由于硅的散热性能不够好,高开关频率解决方案并不适用。SiC MOSFET为此类应用提供了理想的解决方案。

  目前绝大部分OBC和DC-DC厂家是使用碳化硅器件作为高效、高压和高频率的功率器件。

  美国加利福尼亚州已签署行政命令,到2030年实现500万辆电动车上路的目标;

  这一系列政策都推动了电动汽车的大幅增长,电动汽车对于高压、高频率和高效率器件的需求也推动了碳化硅市场的大幅增长。

  5G电源和开关电源(SMPS)领域是安森美半导体的第二个碳化硅战略市场。

  传统的开关电源领域是Boost及高压电源,对功率密度一直都有很高的要求,从最早通信电源的金标、银标,到现在的5G通信电源和云数据中心电源,这些都对高能效有很高的要求。

  “碳化硅器件没有反向恢复,使得电源能效非常高,可达到98%。电源和5G电源是碳化硅器件最传统、也是目前相对较大的一个市场。”王利民说。

  电动汽车充电桩也是我们碳化硅战略市场之一。充电桩实现的方案有很多种,现在消费者最感兴趣的就是直流快充。

  直流快充的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率,这些都需要通过高电压来实现。

  在电动汽车充电桩的应用里,碳化硅无论是在Boost,还是输出的二极管,目前有很多使用主开关的碳化硅MOSFET电动汽车充电桩方案,其应用前景非常广阔。

  在太阳能逆变器领域,碳化硅二极管的使用量也非常巨大。太阳能逆变器的安装量每年持续增长,预计未来10~15年会有15%的能源(目前是1%)来自太阳能。太阳能是免费的,且取之不尽用之不竭。国内已出台相关政策,个人可以把太阳能电力卖给国家电网。

  “碳化硅半导体可应用于太阳能逆变器的Boost。随着太阳能逆变器成本的优化,不少厂家会使用碳化硅的MOSFET作为主逆变的器件,用来替换原来的三电平(逆变器)控制复杂电路。”王利民说,“在政策驱动方面,欧盟有20-20-20目标,即到2020年,能效提高20%,二氧化碳排放量降低20%,可再生能源达到20%。NEA也设定了清洁能源目标,到2030年要满足中国20%的能源需求。”

  长期可靠性已成为SiC MOSFET的标志。功率半导体制造商接下来的任务是开发多芯片功率模块或混合模块,将传统的硅晶体管和SiC二极管集成在同一物理器件上。由于具有较高的击穿电压,这些模块可以在更高的温度下工作。它们还能提供高效率,同时进一步缩小设备尺寸。

  从目前的市场价格来看,SiC MOSFET相较于硅IGBT具有系统级优势,而且,随着150 毫米晶圆制造被广泛采用,预计SiC MOSFET的价格还将继续下降。

  一些制造商已经开始生产200毫米(8英寸)晶圆。随着晶圆尺寸的增加,每个裸片的成本将会降低,但良率也可能降低。因此,制造商必须不断改进工艺。

  然而,由于SiC器件的制造工艺成本较高,并且缺乏量产,因而很难被广泛使用。SiC器件的批量生产需要精心设计的稳健架构和制造工艺,例如在晶圆测试中,要求被测试的器件尺寸更小并且工作在较高的电流和电压范围内。

  一旦解决了这些难题,OEM设计师将会采用更多的SiC器件,充分利用其良好的电气特性,大幅降低系统成本并提高整体效率。

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  代初级侧调节(PSR)和高度集成的PWM控制器提供多种功能,以增强低功耗反激式转换器的性能。 FSEZ1317WA的专有拓扑结构TRUECURRENT®可实现精确的CC调节,并简化电池充电器应用的电路设计。与传统设计或线性变压器相比,可以实现低成本,更小,更轻的充电器。为了最大限度地降低待机功耗,专有绿色模式提供关断时间调制,以在轻载时线性降低PWM频率条件。绿色模式有助于电源满足节能要求。 通过使用FSEZ1317WA,可以用很少的外部元件实现充电器并降低成本。 特性 30mW以下的低待机功率 高压启动 最少的外部元件计数 恒压(CV)和恒流(CC)控制无二次反馈电路 绿色模式:线性降低PWM频率 固定频率为50kHz的PWM频率以解决EMI问题 CV模式下的电缆补偿 CV中的峰值电流模式控制模式 逐周期电流限制 V DD 使用Auto Restar进行过压保护t V DD 欠压锁定(UVLO) 栅极输出最大电压钳位在15V 自动重启固定过温保护 7导联SOP 应用 电子书阅读器 外部AC-DC商用电源 - 便携消费型 外部AC-D...

  度集成的PWM控制器具备多种功能,可增强低功率反激转换器的性能.FSEZ1016A专有的拓扑简化了电路设计,特别是电池充电器应用中的电路设计。与传统设计或线性变压器相比,它成本更低,尺寸更小,具有更轻的充电器。启动电流仅为10μA,允许使用大启动电阻以实现进一步的节能。为了最大限度地降低待机功耗,专有绿色模式提供了关断时间调制,以在轻载条件下线性降低PWM频率。绿色模式有助于电源达到节电要求。通过使用FSEZ1016A,充电器可以用极少的外部元件和最低的成本来完成.FSEZ1016A系列控制器提供7引脚SOIC封装。 特性 恒压(CV)和恒流(CC)控制( 通过飞兆专有的TRUECURRENT™技术实现精准恒定电流 绿色模式功能:线 kHz的固定PWM频率(采用跳频来解决电磁干扰问题) 恒压模式下的电缆补偿 低启动电流:10μA 低工作电流:3.5 mA 恒压模式下的峰值电流模式控制 逐周期限流 V DD 过压保护(带自动重启) V DD 欠压锁定(UVLO) 带闩锁的固定过温保护(OTP) 采用SOIC-7封装 应用 ...

  31 USB供电(PD)控制器是一款针对USB-PD C型解决方案进行了优化的同步降压控制器。它们是扩展坞,车载充电器,台式机和显示器应用的理想选择。 NCP81231采用I2C接口,可与uC连接,以满足USB-PD时序,压摆率和电压要求。 NCP81231工作在4.5V至28V 特性 优势 I2C可配置性 允许电压曲线,转换速率控制,定时等 带驱动程序的同步降压控制器 提高效率和使用标准mosfet 符合USB-PD规范 支持usb-pd个人资料 过压和过流保护 应用 终端产品 USB Type C 网络配件 消费者 停靠站 车载充电器s 网络中心 桌面 电路图、引脚图和封装图...

  39 USB供电(PD)控制器是一种同步降压升压,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为笔记本电脑,平板电脑和台式机系统以及使用USB的许多其他消费类设备所需的电源轨PD标准和C型电缆。与USB PD或C型接口控制器配合使用时,NCP81239完全符合USB供电规范。 NCP81239专为需要动态控制压摆率限制输出电压的应用而设计,要求电压高于或低于输入电压。 NCP81239驱动4个NMOSFET开关,允许其降压或升压,并支持USB供电规范中指定的消费者和供应商角色交换功能,该功能适用​​于所有USB PD应用。 USB PD降压升压控制器的工作电源和负载范围为4.5 V至28 V. 特性 优势 4.5 V至28 V工作范围 各种应用的广泛操作范围 I2C接口 允许uC与设备连接以满足USB-PD电源要求 将频率从150 kHz切换到1200 kHz 优化效率和规模权衡 过渡期间的压摆率控制 允许轻松实施USB-PD规范 支持USB-PD,QC2.0和QC3.0配置文件 过电压和过流保护 应用 终端产品 消费者 计算 销售点 USB Type-C USB PD 桌面 集线器 扩展...

  1是一款高效的单相同步降压开关稳压控制器。凭借其集成驱动器,ADP3211经过优化,可将笔记本电池电压转换为高性能英特尔芯片组所需的电源电压。内部7位DAC用于直接从芯片组或CPU读取VID代码,并将GMCH渲染电压或CPU核心电压设置为0 V至1.5 V范围内的值。 特性 优势 单芯片解决方案。完全兼容英特尔®IMVP-6.5 CPU和GMCH芯片组电压调节器规格集成MOSFET驱动器。 提高效率。 输入电压范围为3.3V至22V。 提高效率。 最差±7mV -case差分感应核心电压误差超温。 提高效率。 自动节电模式可在轻负载运行期间最大限度地提高效率。 提高效率。 软瞬态控制可降低浪涌电流和音频噪声。 当前和音频缩减。 独立电流限制和负载线设置输入,以增加设计灵活性。 改进设计灵活性ity。 内置电源良好屏蔽支持电压识别(VID)OTF瞬变。 提高效率。 具有0V至1.5V输出的7位数字可编程DAC。 提高效率。 短路保护。 改进保护。 当前监听输出信号。 提高效率。 这是一款无铅设备。完全符合RoHS标准和32引...

  49是一款单相同步降压稳压器,集成了功率MOSFET,可为新一代计算CPU提供高效,紧凑的电源管理解决方案。该器件能够在带SVID接口的可调输出上提供高达14A TDC的输出电流。在高达1.2MHz的高开关频率下工作,允许采用小尺寸电感器和电容器,同时由于采用高性能功率MOSFET的集成解决方案而保持高效率。具有来自输入电源和输出电压的前馈的电流模式RPM控制确保在宽操作条件下的稳定操作。 NCP81149采用QFN48 6x6mm封装。 特性 优势 4.5V至25V输入电压范围 针对超极本和笔记本应用进行了优化 支持11.5W和15W ULT平台 符合英特尔VR12.6和VR12.6 +规格 使用SVID接口调节输出电压 可编程DVID Feed - 支持快速DVID的前进 集成栅极驱动器和功率MOSFET 小外形设计 500kHz~1.2MHz开关频率 降低输出滤波器尺寸和成本 Feedforward Ope输入电源电压和输出电压的比例 快线瞬态响应和DVID转换 过流,过压/欠压和热保护 防止故障 应用 终端产品 工业应用 超极本应用程序 笔记本应用程序 集成POL U...

  NCP81174 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

  74是一款通用型四相同步降压控制器。它结合了差分电压检测,差分相电流检测和PWM VID接口,为计算机或图形控制器提供精确的稳压电源。它可以从处理器接收节电命令(PSI),并以单相二极管仿真模式工作,以获得轻载时的高效率。双边沿多相PWM调制确保快速瞬态响应,并尽可能减少电容。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 显卡的电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...

  41单相降压解决方案针对Intel VR12.6兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。单相控制器采用DCR电流检测,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应.NCP81141集成了内部MOSFET驱动器,可提高系统效率。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环路补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流监控。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...

  47是一款单相解决方案,具有差分相电流检测,同步输入,远程接地节能操作和栅极驱动器,可提供精确调节的电源。自适应非重叠栅极驱动和省电操作电路为服务器,笔记本和台式机系统提供低开关损耗和高效率解决方案。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。 NCP81147还具有软启动序列,精确的过压和过流保护,用于电源轨的UVLO和热关断。 特性 优势 内部高性能运算放大器 简化系统补偿 集成MOSFET驱动器 节省空间并简化设计 热关机保护 确保稳健的设计 过压和过流保护 确保稳健设计 省电模式 在轻载操作期间最大限度地提高效率 支持5.0 V至19 V输入 5.0 V至12 V操作 芯片使能功能通过OSC引脚 保证启动进入预充电负载 内部软启动/停止 振荡器频率范围为100 kHz至1000 kHz OCP准确度,锁定前的四次重入时间 无损耗差分电感电流检测 内部高精度电流感应放大器 20ns内部栅极驱动器的自适应FET非重叠时间 Vout从0.8V到3.3 V(5V,12V VCC) 热能补偿电流监测 ...

  0是一款单相解决方案,具有差分相电流检测,同步输入,远程接地节能操作和栅极驱动器,可提供精确调节的电源。自适应非重叠栅极驱动和省电操作电路为服务器,笔记本和台式机系统提供低开关损耗和高效率解决方案。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。 NCP5230还具有软启动序列,精确的过压和过流保护,用于电源轨的UVLO和热关断。 特性 高性能误差放大器

  内部软启动/停止 0.5%内部电压精度,0.8 V基准电压 OCP精度,锁存前四次重入时间无损差分电感电流检测内部高精度电流检测放大器振荡器频率范围100 kHz 1000 kHz 20 ns自适应FET内部栅极驱动器非重叠时间 5.0 V至12 V操作支持1.5 V至19 V Vin Vout 0.8 V至3.3 V(具有12 VCC的5 V电压)通过OSC引脚实现芯片功能锁存过压保护(OVP)内部固定OCP阈值保证启动预充电负载 热补偿电流监控 Shutdow n保护集成MOSFET驱动器集成BOOST二极管,内部Rbst = 2.2 自动省电模式,最大限度地提高光效率负载运行同步功能远程地面传感这是一个无铅设备 应用 桌面和服务器系统 电路图、引脚图和封装图...

  0是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.6 V的输出电压.NCP3030提供集成栅极驱动器和内部设置的1.2 MHz(NCP3030A)或2.4 MHz( NCP3030B)振荡器。 NCP3030还具有外部补偿跨导误差放大器,内置固定软启动。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压保护,输出欠压保护和输入欠压锁定。 NCP3030目前采用SOIC-8封装。 特性 优势 输入电压4.7 V至28 V 从不同输入电压源调节的能力 0.8 V +/- 1.5%参考电压 能够实现低输出电压 1200 kHz操作(NCP3020B - 2400 kHz) 高频操作允许使用小尺寸电感器和电容器

  1A驱动能力 能够驱动低Rdson高效MOSFET 电流限制和短路保护 高级保护功能 输出过压和欠压检测 高级保护功能 具有外部补偿的跨导放大器 能够利用所有陶瓷输入和输出电容器 集成升压二极管 减少支持组件数量和成本 受管制的软启动 已结束软启动期间的环路调节可防止任何尖峰或下垂 AEC-Q100和PPAP兼容(NCV3030) 适用于汽车应用 应用 终端产品 ...


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