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功率半导体的未来--碳化硅晶体管

2019-03-12

基于SiC的功率半导体解决方案的使用在过去几年中已显示出巨大的增长,这是一项依赖的革命。这一市场发展背后的驱动力有以下趋势:节能,尺寸减小,系统集成和可靠性提高。0rQ电子头条

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学习新的宽带隙技术0rQ电子头条

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SiC器件可以很好地满足所有上述市场挑战。新的宽带隙技术不仅仅是向前发展的一步,正如我们在前几年看到的每一代新的硅功率器件,但它有能力成为真正的游戏改变者。基于SiC的系统具有革命性的能力,其特点是性能急剧变化,这使得它们对于面向创新和破坏性解决方案的设计人员具有吸引力。IGBT或超级结MOSFET与SiC二极管相结合已成为各种应用的标准,如太阳能,充电器或电源。这种组合 - 与SiC二极管匹配的快速硅基开关 - 通常被称为“混合”解决方案。近年来,英飞凌制造了数百万个混合模块,并将其安装在各种客户产品中。第一个全球混合模块是在十多年前基于英飞凌的EconoPACK™封装平台开发的。0rQ电子头条

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图1:世界上第一个混合模块解决方案,自2006年开始投入生产0rQ电子头条

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某些应用程序段始终是任何新技术的早期适配器。当新技术的成本/性能具有足够的吸引力以转换到新的更高技术解决方案时,其他人将遵循实际系统价值。在已经完善的高端电源中使用SiC二极管的设计之后,英飞凌已经确定了太阳能逆变器和升压电路,因为该领域最有可能从这项新技术中受益最多。在此背后,不间断电源(UPS)和充电器的相关细分市场可能会随之而来。预计更多传统领域,如电机驱动,牵引力和长期规模,汽车应用将在未来变得对大规模改变新半导体技术非常感兴趣。0rQ电子头条

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在过去,能效是太阳能转换器成功的关键设计和营销之路。例如,用作升压电路一部分的SiC二极管是实现98%或更高效率水平的最佳解决方案。0rQ电子头条

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今天,太阳能设计的持续主要趋势是基于开关损耗的减少而增加功率密度,实现更小的散热器,并且还允许更高的工作频率,从而实现更小的磁性。SiC二极管越来越成为现代太阳能电池组逆变器解决方案以及微逆变器应用中的主要组件。最近,英飞凌的SiC二极管技术达到了第五代。SiC二极管通过使用模具收缩选项进一步发展,以实现更具吸引力的成本位置。此外,与前几代相比,实施了新技术特性,这将带来额外的客户利益,例如,更低的正向压降,导致更低的传导损耗,增加的浪涌电流能力和增强的击穿行为。混合解决方案是当今全球太阳能逆变器的标准组成部分。英飞凌凭借超过15年的可用性,成熟的跟踪记录和可靠的大批量生产,已成为该技术值得信赖的合作伙伴。0rQ电子头条

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SiC晶体管概念0rQ电子头条

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凭借其集成的制造理念 - 利用与高容量硅功率芯片相同的生产线制造SiC芯片 - 英飞凌能够保证与硅产品处于同一水平的可靠性和工艺稳定性。此外,这一集成概念带来了灵活性,这是在快速变化的细分市场中处理所需新兴技术的关键因素。基于对系统的深入理解和对成本性能的明确关注,通过在硅和碳化硅基半导体之间形成优化组合,可以成功地定义产品。这一举措远离纯半导体技术驱动的产品定义,转向针对目标系统量身定制的解决方案,被视为未来SiC成功的关键因素。根据二极管技术的经验,未来几年将推出类似的SiC晶体管。这是使SiC更接近主流技术水平的重要下一步。如上所列,关键要素将是:0rQ电子头条

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•久经考验的坚固性0rQ电子头条

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•具有吸引力的成本/性能,可实现可衡量的系统优势0rQ电子头条

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•批量生产能力0rQ电子头条

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•产品定义由系统理解驱动0rQ电子头条

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在过去几年中,主要进行了深入研究,以了解SiC的系统效益。使用单极SiC晶体管的转换器的开关频率的增加可以导致磁性部件的体积和重量的显着减小。根据英飞凌的分析,与现有的硅基参比解决方案相比,基于SiC器件的转换器尺寸的三分之一和重量的25%。0rQ电子头条

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由于体积和重量的显着减少,系统成本也可降低20%以上。0rQ电子头条

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图2:SiC的优势取决于在竞技场和应用中的使用0rQ电子头条

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在未来几年内,SiC解决方案将扩展到其他应用领域,如工业或牵引驱动。造成这种情况的原因是推动降低损耗的市场力量,不仅是为了提高效率,而且也是为了减小散热要求而导致更小的封装。如图2所示,SiC已经被用于高端和小众解决方案。今天的设计使用这些优势来降低特定应用领域的系统成本。0rQ电子头条

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在未来,越来越多的应用将受益于通过实施SiC解决方案实现的整体损耗减少。在这方面,下一个重大进步将是引入SiC开关。0rQ电子头条

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图3:硅与碳化硅的材料特性比较0rQ电子头条

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为了理解Si和SiC溶液之间的差异,必须明确碳化硅器件属于所谓的宽带隙半导体。Si与SiC材料特性的比较如图3所示。快速和单极肖特基二极管以及基于场效应的SiC开关(MOSFET,JFET)的电压范围可以扩展到1000 V以上。这是可能的,因为SiC材料的固有特性:0rQ电子头条

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•高压肖特基二极管中的低漏电流是可能的,因为金属 - 半导体阻挡层是Si肖特基二极管的两倍。0rQ电子头条

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•与Si相比,单极晶体管具有非常吸引人的特定导通电阻,因为击穿场强大约高十倍。0rQ电子头条

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图4显示了不同半导体的最小特定导通电阻与所需的阻断电压(此处仅使用漂移区,忽略任何衬底对电阻率的贡献)。每条线的端点表示除了超级结MOSFETS之外的单极配置中特定半导体的可用电压范围0rQ电子头条

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图4:导通电阻和阻断SiC和Si电压的比较0rQ电子头条

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用于工业电力电子的SiC晶体管0rQ电子头条

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SiC晶体管即将成为当今工业电力电子领域已有的IGBT技术的有吸引力的替代品。SiC的专用材料特性使得能够在高阻断电压下设计少数无载流子的单极器件而不是电荷调制的IGBT器件。这主要基于宽带隙提供的高临界场。IGBT的损耗限制是由少数载流子的动力学引起的。在MOSFET中,这些少数载流子被消除。例如,已经测量了SiC MOSFET的100kV /μs以上的极高dv / dt斜率。最初,与1200V及更高的IGBT相比,SiC基晶体管的卓越动态性能被认为是最重要的优势。0rQ电子头条

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然而,从长远来看,IGBT和单极SiC开关之间的根本区别将越来越受到关注。两个主要区别在于:第一,输出特性的线性无阈值IV曲线,第二,集成体二极管和同步整流选项的能力。基于这些特性,该器件在同步整流模式下提供无阈值导通行为。此外,必要组件的数量减少了一半。这导致所需功率模块占地面积的显着减少。0rQ电子头条

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在系统级,无阈值传导行为的特征为减少损失提供了显着的潜力。许多系统在部分负载条件下的大部分寿命下运行,并且与竞争标准IGBT技术相比,传导损耗相当低。即使在低于5 kHz的非常低的频率和不变的dv / dt斜率下,可以看出,在同步整流模式下,带有集成体二极管的无阈值开关与商用相比可提供50%的总损耗降低潜力IGBT解决方案现已上市。损失的比较见图5。0rQ电子头条

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图5:即使使用像dv / dt工作在5 kHz的IGBT,50%的损耗也是可行的。0rQ电子头条

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显然,在没有dv / dt限制且开关频率高得多的应用中,损耗降低甚至更高。这在DC-DC升压或降压/升压拓扑中很常见,可提供更小,更轻和更低成本的磁性元件。各种研究已经证明 - 即使使用更昂贵的电源开关 - 材料清单也可以在各种应用中降低。基于SiC基部件的预期成本降低,这一数量的应用将在中期时间范围内增加。0rQ电子头条

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SiC晶体管设计的目标是在大多数部件上实现最低面积的特定导通电阻。这是非常合理的,因为该参数定义了成本,并且间接地定义了由芯片电容值引起的剩余动态损耗。对于给定电阻,管芯越小,电容值越低。0rQ电子头条

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高缺陷密度反映在基于SiC MOS的器件的各种特性或特性中。一个例子是与硅基功率MOSFET相比的弱跨导,并结合低阈值电压。0rQ电子头条

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另一个影响是导通电阻的非物理温度特性。物理学表明罗恩通常会在更高的温度下增加。今天可用的组件有时显示零或甚至负温度依赖性。这是由于缺陷相关的电阻贡献具有负温度系数,因此观察到不同的温度特性。Ron随温度增加越小,通道缺陷对器件性能的影响越大。只有通过在通常用于硅基MOS功率器件的值以上的导通状态下增加氧化物上的施加场,才能有效地实现与缺陷相关的电阻贡献的下降。0rQ电子头条

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SiC的目标0rQ电子头条

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总体目标是将SiC提供的低Ron电位与工作模式相结合,其中器件保留在经过充分研究的安全氧化场条件下。在接通状态下,这可以通过从具有高缺陷密度的平坦表面移向其他更有利的表面取向来实现。所谓的SiC的a面上的MOS沟道提供的缺陷密度至少低十倍。因此,一种可能的方法是使用基于TRENCH的结构,类似于许多现代硅功率器件。除了低沟道电阻之外,这种结构中的电池密度可以自然地高于平面结构中的电池密度,最终导致更有效的材料利用。另外,这将导致较低的面积特定导通电阻。然而,在基于沟槽的元件中,沟槽拐角处氧化物的场应力是一个关键问题,特别是在SiC中,这可能是一个停滞不前的论点。与Si溶液相比,该半导体芯片被建议使用大约十倍的电场。存在各种可能性以实现关键区域的有效屏蔽,例如通过深pn元件。与DMOS中的通态困境相反,可以通过巧妙的设计解决关闭状态的挑战。0rQ电子头条

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功能强大的SiC开关提供与硅基元件类似的经过验证的坚固耐用性,即使新技术面临新挑战,也将在电力电子应用领域拥有光明的未来。最初,必须进一步努力以最佳和最有效的方式利用该技术。挑战包括由更高功率密度引起的更快切换或冷却挑战引起的EMI主题。后者是不可避免的,并且与芯片缩小相结合,这不会被预期的损耗减少所抵消。0rQ电子头条

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为了更快地穿透SiC晶体管技术,解决这些有效问题是有益的。在这方面,必须与客户合作,以最大限度地减少新技术所需的任何设计和实施流程。0rQ电子头条

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图6:SiC开关市场1kW-500kW @ 10kHz-MHz0rQ电子头条

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不言而喻,新的半导体技术将成为满足基于功率半导体的改进功率密度和应用效率的日益增长的需求的关键推动因素。然而,硅基元件的更换将不会成为未来几年的问题。相反,宽带隙技术能够补充基于硅的解决方案,特别是在它们可以开辟当前技术无法解决的新应用领域的情况下。SiC在这里被视为针对阻断电压高于100 V且额定功率高达几百千瓦的元件的工业电源应用的主要创新,如图6所示。在成功推向市场的SiC二极管技术之后,基于SiC的晶体管将是下一个重要步骤。到目前为止,宽带隙材料的性能要高得多。为了获得快速的市场认可,坚固耐用和面向系统的产品功能是关键要素。0rQ电子头条