SiC的电力电子器件的主要优势

的电力电子器件的主要优势SiC目录刖§1碳化硅概述

1.1和性能大比拼

2.SiC Si2碳化硅功率器件

3.3提高功率密度，提高性能

4.3晶圆级衬底制造

5.4碳化硅功率半导体的典型应用

6.4智能电网

6.

1.5轨道交通

6.

2.5新能源汽车

6.

3.5新自珍源并网6・4・5数据中心和通讯电源

6.

5.6刖三汽车行业正在经历从内燃机汽车到电动汽车的前所未有的转型在全球遏制二氧化碳排放的法规的推动下，预计到年，电动汽车将达到新车总销ICE EV量的在强制性法规不断发展的背景下，消费者对电动汽车的接受度也在45不断提高2030%目前，以碳化硅为代表的第三代半导体材料的发展开始受到重视，并在智能电网、电动汽车、轨道交通、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电SiC器等领域得到应用，展现出了良好的发展前景本文讨论了在电动汽车电力电子系统中快速采用碳化硅和宽带隙半导体开关的好处，以及晶圆级衬底制造的价值基于的电力电子设备使电动汽车SiC能够实现更长的行驶里程、更快的充电速度和更低的系统级总拥有成本这些优SiC势是通过利用高度差异化的材料特性来设计更高效、更坚固和紧凑的动力总成系统来实现的SiC碳化硅概述

1.碳化硅是第三代半导体材料代表之一，是元素和元素形成的化合物跟传统半导体材料硅相比，它具有高临界击穿电场、高电子迁移率等明显的优势，SiC CSi是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，与硅材料的物理性能对比，主要特性包括临界击穿电场强度是硅材料近倍；热导率高，超过硅材料的倍；110饱和电子漂移速度高，是硅材料的倍；23抗辐照和化学稳定性好；32与硅材料一样，可以直接采用热氧化工艺在表面生长二氧化硅绝缘层45比如，在相同耐压级别条件下，必须要做得比较厚，而且耐压越高厚度就会越越厚，导致材料成本更高在栅极和漏极间有一个电压隔离区,这个Si-MOSFET区越宽，内阻越大，功率损耗越多，而可以讲这个区域做得更薄，达到厚度的同时漂移区阻值降低至原来的导通电阻小SiC-MOSFET了，能量损耗也就小了，性能得到提升Si-MOSFET1/10,1/300和性能大比拼

2.SiC Sisic优势主要有以下三点更低的阻抗，带来更小尺寸的产品设计和更高的效率；更高频率的运行，能让被动元器件做得更小；1能在更高温度下运行，意味着冷却系统可以更简单2另外，肖特基二极管与的恢复特性对比，的恢复过3程几乎不受电流、温度影响;SiC-SBD Si-FRD SiC-SBD与的开关特性比较时，开关时的损耗大幅减少,体二极管的恢复特性尤其好SiC-MOS Si-IGBT/Si-MOS off碳化硅功率器件

3.碳化硅功率半导体器件包括二极管和晶体管，其中二极管主要有结势垒肖特基功率二极管、功率二极管和混合肖特基二极管；晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体管、双极型晶体管JBS PiNPiN MPS、结型场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管和门极可关断晶闸MOSFET管等BJT JFETIGBT相对功率器件，在二极管和晶体管的优势特征为在二级管中，GTO构造电压可以达到而换成电压则可达到左右；Si SiCS i-FRD晶体管中可以做到市场上也有的，但特性会差些，250V,SiC4000V而产品电压可达Si-MOSFET900V,1500VSiC3300V提高功率密度，提高性能

4.虽然通过增加电池容量也称为能量密度来降低电池成本方面取得了重大进展，但电动汽车动力总成的功率密度也在增加，功率密度定义为功率效率与整体尺寸的比率，并且整体尺寸、重量和成本都在下降这是通过利用电源开关来实现的，特别是在动力总成系统中的车载充电器和牵引逆变器中SiC以下是基于的电力电子器件的主要优势OBC能够在更高的温度下工作与传统的硅基器件相比，功率器件可以在更高SiC的温度下工作，无需冷却组件和笨重的散热器材料随着功率水平的提高例如，SiC在驱动电动汽车电机的牵引逆变器中，由于最大工作温度限制和允许结温,绝缘栅双极晶体管等硅功率器件的热管理变得具有挑战性这一挑战需要在动力总成系统中集成冷却组件，例如带有水套的大型铜块，尤其是在功率水平可能IGBT高于的牵引逆变器中这些冷却组件增加了车辆尺寸、重量和成本相反，的允许结温要高得多，为及以上此外，的导热系数是硅的两100kW到三倍SiC175℃SiC更高的载流能力功率器件可承载比硅功率器件高五倍的电流密度这SiC允许每个芯片的功率密度更高，从而实现更小的器件和更紧凑的封装更高的开关频率基于的功率器件还能够将开关频率提高倍，牵引逆变器至少为的开关频率至少为在这些更高的频率下，电容器Sic10和电感器等无源元件的尺寸可以大大减小，从而使系统整体尺寸显著缩小20kHz,OBC kHz高耐压还可实现更高的耐压、功率和开关效率，从而可以设计出损耗显著降低的大功率牵引逆变器SiC对于给定的功率水平和电池容量，功率器件的尺寸可以更小，这转化为带有集成动力总成系统的子系统的组件例如，在某些设计中，电机驱动和牵引SiC逆变器被集成到一个一体式解决方案中，进一步减小了尺寸、重量和成本通过EV消除或最小化用于冷却的机械块以及用于被动元件和外壳的材料量，也可以在系统级别降低成本

5.级衬底制造未来五年，的最大市场是电力电子开关的电动汽车市场为了跟上电动汽车市场的增长轨迹，市场的增长速度预计将是电动汽车市场的两倍［］在过SiC去的几十年中，制造工艺中最重要的改进之一是以低成本生产无缺陷的晶圆级SiC2基板SiC众所周知，增加晶圆尺寸可以显著降低器件的成本然而，增加晶圆尺寸给消除缺陷带来了挑战基板制造过程中出现的主要缺陷是堆垛故障、微管、凹坑、划痕、污渍和表面颗粒所有这些缺陷都会对器件的性能产生不利影响SiC止匕外，毫米晶圆上更频繁地出现更高水平的缺陷率，这是当今制造中最SiC普遍的晶圆尺寸经过数十年的研发，只有少数供应商掌握了生产高质量、无缺150SiC陷的毫米晶圆的艺术这使得供应链能够大批量生产功率器件，并利用的优越特性，这些特性已经存在了一段时间，如今使用无缺陷晶圆仅生产这种150SiC高良率的高质量晶圆，就可以将少数晶圆级衬底供应商与功率供应链中的其他供应商区分开来展望未来，这些基板供应商已经将目光投向了未来几年的SiC SiC毫米200碳化硅功率半导体的典型应用

6.碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势,将极大地提高现有能源的转换效率，对高效能源转换领域产生重大而深远的影响，主要领域有智能电网、轨道交通、电动汽车、新能源并网、通讯电源等智能电网

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1.目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器等、电力电子变压器等装置中除了高压器件以外，智能电网应用领域对大容量器件、压接封装具有独特的需求轨道交通

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2.轨道交通行业也是碳化硅功率器件主要指标应用行业之一未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统目前，受限于碳化硅功率器件的电流容量，碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅模块未来随着碳化硅器件容量的提升，全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用IGBT新能源汽车

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3.新能源汽车是我国各级政府重点支持的碳化硅功率器件应用领域碳化硅功率器件应用在电动汽车领域具有巨大的优势碳化硅功率器件的高温特性和高热导性能可以显著减少散热器的体积和降低成本，其高频特性有助于提高电机驱动器的功率密度，减小体积，降低重量，并推动新型拓扑在电机驱动、充电桩和车载充电器中的应用，实现电动汽车半导体设备的全方位升级换代新能源并网

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4.目前国际上光伏并网装备市场是碳化硅功率器件的第二大应用市场，占碳化硅功率器件市场超过以上碳化硅光伏逆变器效率可以达到以上，能量转换损耗可以降低以上，这将极大地降低逆变器的成本和体积风机并网装30%99%备对中高压碳化硅功率器件具有重大的需求，以代替硅器件串联或拓扑级联，显50%著减小装置的体积，大幅度提高风机变流器工作效率和可靠性，预计到年，碳化硅功率器件将进入风机并网装备市场2020数据中心和通讯电源

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5.的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，反向恢复时间“零”特性使得电路的开关损耗大幅度降低，在数据中心和SiC MOSFET通讯电源中具有巨大优势前景SiCJBS。