如何用sic功率sic高温器件展望代替si功率sic高温器件展望在光伏应用中

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  1,预言和实际水平
  对于的前景,2004年就有人在分析了SiC半导体材料在功率半导体器件各种杰出成果后,写文章预言:&2010年碳化硅器件将主宰功率半导体市场&。现今2010年早已过去四年,实际并不尽然,显然和&预言&相差甚远。
  (1)国外情况
  2013年的PCIM
Asia电力电子展览会上三菱电机展出了多种SiC功率器件,应该说这些产品代表了当前SiC功率器件的国际水平。其中用于工业设备的产品有:
  1200V/75A混合碳化硅-IPM、A全碳化硅模块、600V/200A混合碳化硅IPM,以及A混合碳化硅-HVIGBT。
  功率器件的市场领先者科锐公司推出全新产品系列-50A碳化硅功率器件。包括:
  &1200VZ-FET
&、&1700VZ-FET&碳化硅MOSFET器件和50A/1700V、50A/1200V和50A/650V三款Z-Rec碳化硅肖特基二极管。
  科锐表示:&正是科锐通过不断的创新,以及科锐在碳化硅领域独创的材料技术、晶圆片工艺和器件设计,才使得这样技术突破得以实现。从而能够取代在大功率、高电压应用领域中的低效传统硅IGBT器件。&
  尽管如此,从电流和电压参数来说上述产品远远不及相应的Si半导体器件水平。
  (2)国内情况
  国内近年来西安理工大学、西安电子科技大学微电子所、中科院半导体所等单位一直坚持不懈进行碳化硅材料及其器件的研究,但从市场上市产品来看,多数为SiC肖特基二极管、其参数大致范围为:击穿电压为600V、1200V、1700V等级别。以工作电流分:
  1A, 2A,3A, 4A, 5A,6A, 8A, 10A,20A(击穿电压600V)
  2A, 5A,10A, 20A, 30A,40A(击穿电压1200V)
  也有报道已有碳化硅场效应管问世,但未查到实际产品。
  与国外相比,有不小的差距。
  2,存在问题分析和展望
  半导体发展历史说明某一种器件的成功出现与理论上的突破、新型结构设计,更有实现这些结构所做的工艺上的创新分不开的。目前理论、结构、工艺都存在大量问题急需解决。
  现举几例:
  (1)虽然碳化硅功率器件有很多优点,但还存在不少问题。主要问题是碳化硅晶体有微管缺陷,使工艺成品率低。最好的材料为微管缺陷<1/cm2,但价格昂贵,为硅单晶材料的50倍。
  (2)许多文章告知其反向恢复时间极短,可用于频率1MHZ场合。遗憾的是与肖特基二极管配合使用的其他器件国内还没有用SiC半导体材料制造的,不能用到如此高的频率。SiC肖特基二极管高频的优越性无法发挥。目前在国内SiC肖特基二极管可称是英雄无用武之地。
  (3)请看表2参数中的通态压降VF,在2伏左右,国内同类产品相差不多。不比普通硅二极管小。这与许多文章中谈到的SiC器件通态压降小到零点几伏,碳化硅功率器件的正向损耗小的结论大相径庭。曾与国内业内人士讨论,被告知原因是现用的SiC片厚还较厚。那么为什么不磨薄一点呢?想必工艺上有一定的难度。
  (4)文章宣传碳化硅器件工作温度可达600℃,实际上能到200℃就不错了。原因是芯片电极引出材料和外壳封装材料耐温到不了600℃。
  (5)目前碳化硅功率器件的成本是硅的100倍。虽然制作等同的性能的器件所需要的碳化硅材料比硅材料要少(约10倍),但这不足于弥补材料本身的费用。另外,制作工艺费用也高。只有当碳化硅材料和器件的制作费用能和硅器件相比较。器件就可能在中等电压(1KV
  问题多多、不胜枚举。如何解决?以史为鉴。
  电力电子的发展历史现在看来可分为三个大阶段:硅晶闸管(亦称可控硅)、IGBT(亦称绝缘栅双极型硅大功率晶体管)和刚显露头角的碳化硅(SiC)系列大功率半导体器件。晶闸管在国内发展已有近六十年历史,比较成熟也广泛应用,可以借鉴它的历史来预测功率器件
  想当初TGBT兴起时,与晶闸管参数指标相差极大,晶闸管已能做到2-3KV、2-3KA时,IGBT仅仅是电流过百、电压过千。在短短的二十几年间,IGBT从第一代迅速发展到第六代,电压和电流已与晶闸管并驾齐驱,显示出IGBT优越性能。晶闸管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶闸管干不了,在相当大的一片领域里IGBT因其不可替代的优越性能独居鳌头。但是晶闸管仍以其比较高的性价比守住了自己的大片阵地。
  五、结论
  碳化硅材料的进展已使部分碳化硅功率器件用于实际成为可能。但还有许多关键的技术问题需要解决。
  晶闸管电流从小到大、电压从低到高经历了数十年的风风雨雨,IGBT也有这样的一个不凡的过程。可见SiC功率器件的发展也会有一个漫长的过程。现在要说批量投入、大规模进入商业应用还为时过早。
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国金证券:维持三安光电“买入”评级
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  三安光电开发宽禁带功率半导体,布局下个十年:本次公告成立的厦门三安光电集成电路公司主要开发用于通信、遥测、导航及各种节能器件的集成电路产品,也就是基于GaN、SiC 等第三代半导体材料的宽禁带功率器件,公司过去10年一路发展成为国内LED 芯片龙头,在GaN LED 外延技术上已经逼近国际大厂,设立集成电路子公司开始布局宽禁带功率半导体将为公司未来的发展打开新的空间。
  宽禁带功率器件是军事和节能产业的核心:宽禁带半导体器件可以实现高耐压、低导通电阻、更高工作频率,相比于传统的半导体材料具备更为强大的功能且更为高效节能,GaN/SiC 功率器件在AC/DC、DC/DC、DC/AC 电流转换中损耗大幅低于Si 器件,未来可以大幅消减电力损耗的宽禁带半导体功率器件将广泛应用于光伏逆变器、节能电机、大型数据中心、电网、电动汽车领域,成为整个节能产业的核心,同时其高输出功率、输出效率及功率增益特性,也是军民用微波应用的首选,因此日美政府都把宽禁带半导体技术作为重中之重,我们估算到2020 年整个宽禁带半导体分立器件的市场容量有望达到250 亿美元以上,远超LED 芯片市场;
  军用领域先行,民用市场逐步开启:目前宽禁带半导体主要应用于军用雷达,如美国TriQuint、RFMD 等企业开发微波功率器件应用于美军导弹防御雷达和干扰机雷达,随着2013 年日本企业全线切入宽禁带半导体领域,民用市场也逐步启动,电动汽车、光伏逆变器、电网将成为主要的应用领域。从公司本次的合作方看,成都亚光电子为原国营亚光电工总厂改制企业,主要开发微波半导体器件和集成电路产品,为军事电子装备和民用电子整机配套,而中航国际投资则率属于中航工业集团,同时本次合作三方为排他性合作,因此我们认为公司在宽禁带半导体产品开发的前期将主要以军用领域为目标市场,作为国内极少数几家能够开发宽禁带功率器件的企业,未来将得到各方大力的支持;
  投资建议:
  我们维持公司 年盈利预测0.75 元、0.91 元和1.20 元,维持&买入&评级。
(南方财富网个股频道)
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这些固态钽表面贴装片式电容的湿度敏感度为3级,工作温度-55°C至+105°C,电容范围3.3至470μF,有七种封装尺寸。
明年量产的GaN功率元件将替代SiC元件
[责任编辑:easonxu]
【导读】GaN功率元件与现有的Si相比可大幅削减电力损失,作为新一代功率半导体材料与SiC一样备受关注。SiC功率元件不断得到空调、音响设备、工业设备及铁路车辆的逆变器等的采用,而GaN功率元件在应用方面却一直落后于SiC。安川电机决定采用GaN功率元件。该公司计划2014年内在光伏发电系统使用的功率调节器产品中配备该元件。
安川电机决定采用GaN功率元件的目的是降低电力转换时的损失和实现装置的小型化。例如,在输出功率为4.5kW的家用功率调节器的逆变器电路等中采用该元件(图1)时,与采用Si制IGBT的现有产品相比,电力损失削减了约一半(2kW输出时)。体积减小45%,重量减轻约27%。
图1:通过采用GaN功率元件实现小型、轻量、高效率
安川电机开发出了采用GaN功率元件的光伏发电系统用功率调节器(a)。利用该元件将体积减小了45%,重量减轻了约27%(b)。2.5kW输出时实现了98.2%的高效率(c)。
可以削减体积的理由有三个
第一,GaN功率元件产生的电力损失较小。其中,&开关损失尤其小&(安川电机)。电力损失减小的话,电力转换器的发热量就会降低,因此即使缩小电力转换器的体积、减小热容量,温度也不易上升。
第二,提高了开关频率。开关频率越高,越能缩小电抗器等外设的尺寸。此次的开发品开关频率为50kHz。虽然安川电机没有公布详情,不过估计为现有产品的5倍左右。安川电机针对50kHz频率与部件厂商共同新开发了电抗器。虽然是新开发品,但考虑到实用化,并未使用高成本部材。
第三,缩小了功率元件的栅极驱动电路。GaN功率元件的输入容量较小,因此该驱动电路的电源部能够小型化。
采用此次开发品的GaN功率元件是耐压为600V的GaN功率晶体管。600V耐压的要求可以利用SiC制MOSFET来满足。SiC制MOSFET也像GaN功率晶体管一样,可以降低功率调节器的电力损失并实现小型化。不过此次采用GaN是因为其在成本和性能方面更加优异。
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GaN功率元件与现有的Si相比可大幅削减电力损失,作为新一代功率半导体材料与SiC一样备受关注。SiC功率元件不断得到空调、音响设备、工业设备及铁路车辆的逆变器等的采用,而GaN功率元件在应用方面却一直落后于SiC。
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