Карбид кремния и силовая электроника

Карбид кремния, чрезвычайно твердое синтетическое соединение кремния и углерода, уже давно используется в качестве промышленного абразива, например, в наждачной бумаге или шлифовальных кругах, а также в качестве износостойких компонентов в подшипниках насосов или промышленных печах. Он также может служить отличной огнеупорной футеровкой.

Карбид кремния превосходит свой кремниевый аналог по жаропрочности и долговечности, обладая более высокими теплопроводностью и теплопроводностью.

Силовая электроника

Карбид кремния становится все более популярным материалом для силовой электроники. Он способен выдерживать более высокие уровни напряжения и температуры, чем традиционные кремниевые устройства, что повышает производительность и надежность при одновременном снижении энергопотребления. Кроме того, его свойства позволяют использовать его во многих различных приложениях.

Производителям электромобилей (EV) требуются компоненты, способные выдерживать высокие температуры и напряжения, такие как автономные зарядные устройства, DC-DC-преобразователи и гибридные электромобили. Карбид кремния имеет преимущества перед кремниевыми полупроводниками в виде более высокой эффективности, меньших потерь мощности и большей надежности, при этом являясь более компактной и экономичной альтернативой.

SiC-транзисторы также имеют более широкие полосовые зазоры, чем их кремниевые аналоги, что позволяет минимизировать тепловые потери и повысить эффективность. Это позволяет им выполнять аналогичные функции, потребляя меньше электроэнергии впустую - водители EV оценят, учитывая, что это позволяет увеличить дальность поездки и снизить стоимость батареи за счет ускорения времени зарядки.

Автомобили

Чипы из карбида кремния обладают многочисленными преимуществами для индустрии электромобилей. Они позволяют снизить потери напряжения и тока, повышая при этом тепловую эффективность, что помогает автопроизводителям уменьшить размеры и вес ключевых компонентов силовой электроники, которые влияют на дальность поездки, помогая электромобилям проехать большее расстояние на каждой зарядке. Автомобильные компании начали внедрять эту технологию, а ROHM Semiconductors предложила решения по изоляции, разработанные специально для использования с карбидом кремния в системах управления батареями и инверторах управления тягой, созданных на основе материалов из карбида кремния.

Автопроизводители понимают, что широкополосные полупроводники будут играть важную роль в будущих аккумуляторных электромобилях (BEV), поэтому они вкладывают миллиарды в обеспечение поставок SiC-чипов для автомобилей с батарейным питанием. Немецкий поставщик ZF Group и компания Wolfspeed в настоящее время сотрудничают в создании производства специально для SiC-чипов; Bosch, ведущий мировой производитель запчастей, купил TSI Semiconductors в Роузвилле, Калифорния, в 2023 году, планируя перевести свое производство с прикладных интегральных схем на 200-мм кремниевых пластинах на выпуск SiC MOSFETs к 2026 году.

Другие производители микросхем также увеличивают инвестиции в технологии карбида кремния. Rohm Semiconductors - один из таких чипмейкеров, увеличивающих инвестиции. Rohm предлагает продукцию, которая поддерживает силовые конструкции на основе карбида кремния, такие как МОП-транзисторы, изолированные силовые транзисторы, модули, системы управления батареями и инверторы управления тягой, и это лишь несколько приложений, где ее продукция предлагает значительные преимущества по стоимости и производительности; они особенно сосредоточены на высоковольтных приложениях, где их продукция предлагает значительный выигрыш по стоимости/производительности.

Железнодорожный транзит

Применение чипов из карбида кремния в железнодорожном транспорте позволяет повысить эффективность и плотность мощности силовых устройств, уменьшить их вес и объем, а также снизить затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание. Они особенно хорошо подходят для применения в тяговых преобразователях, которые должны выдерживать высокие температуры; поэтому чипы из карбида кремния являются идеальным решением: эти универсальные чипы из кремний-углеродных смесей способны работать при температуре до 500C - идеальное решение для солнечной энергетики или железнодорожного транспорта!

Полупроводники из карбида кремния имеют более широкую полосу пропускания, что позволяет им работать на более высоких частотах и напряжениях, чем их кремниевые аналоги, обеспечивая большую мощность при меньших потерях и меньшей скорости дрейфа насыщения по сравнению со стандартными кремниевыми чипами.

С ростом спроса на электромобили растут и требования к высокопроизводительным компонентам. Это включает в себя увеличение производительности электродвигателя, чтобы соответствовать возможностям ускорения - часто известным как "Ludicrous Mode". Для этого могут потребоваться более мощные конденсаторы и надежные электрические кабели.

Карбидокремниевые (SiC) металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET) становятся широко доступными и пригодными для использования в тяговых инверторах, обеспечивая снижение потерь на переключение и потерь на проводимость, что приводит к снижению общих потерь мощности в системе и, следовательно, к существенному снижению эксплуатационных расходов на электроэнергию.

Промышленное применение

Карбид кремния стал перспективным полупроводниковым материалом в мощных приложениях, в частности в силовой электронике электромобилей и приборах космических марсоходов (Mantooth, Zetterling & Rusu). Карбид кремния обладает более высокой полосой пропускания, чем традиционные кремниевые полупроводники, и работает при гораздо более высоких температурах, напряжениях и частотах, что делает его привлекательной альтернативой кремнию. Он может работать при более высоких температурах, напряжениях и частотах, чем традиционные кремниевые полупроводники (которые имеют более низкую полосу пропускания). Характеристики карбида кремния также делают его привлекательной альтернативой в таких ответственных приложениях, как силовая электроника для электромобилей или приборы, используемые при исследовании космоса (Mantooth Zetterling & Rusu).

Карбид кремния впервые нашел промышленное применение в качестве светоизлучающих диодов и детекторов в ранних радиоприемниках, требующих высоких рабочих температур и уровней напряжения. МОП-транзисторы, изготовленные на основе карбида кремния, впервые появились в продаже в 1970-х и 1980-х годах. Они имели взаимосвязанную структуру, состоящую из полупроводников p-типа, соединенных оксидно-изолирующими слоями, между которыми располагались электроды затвора. Благодаря низкому сопротивлению чипы из карбида кремния позволяли пропускать ток при более высоких температурах с меньшими потерями мощности.

Силовые устройства из карбида кремния революционизируют способы питания EV, поскольку они выдерживают более высокую теплоотдачу, служат дольше и являются более энергоэффективными, чем полупроводниковые силовые транзисторы из кремния. Поэтому многие производители EV делают выбор в пользу карбидокремниевых устройств, чтобы снизить стоимость и вес автомобилей.

Базовые SiC пластины и полупроводниковые решения компании Wolfspeed дают разработчикам систем питания все необходимое для перехода любой системы питания на технологию карбида кремния. Только установка SiC силовых транзисторов Wolfspeed в серверы позволит сэкономить 40% на затратах энергии на охлаждение.