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第三代半导体的相关知识点

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  来源:汽车功率电子

  电力电子主流器件是基于硅基的MOSFET、IGBT和晶闸管,经过六十多年的发展,贡献卓越。

  但是,目前硅基器件的性能已经逐渐逼近其材料理论极限,进一步提升难度越来越大并且提升空间越来越小,因此具有更优越性能的三代功率半导体材料站了出来。

  Si材料性能局限:

  导通压降很难再降(决定通态损耗大小)禁带宽度低(影响高温性能)绝缘击穿电场小(影响耐压)饱和漂移速度低(影响开关速度)热导率小(影响热设计)

  三代半导体特点

  典型三代半导体材料:

  SiC(比较成熟,已有产品)GaN(相对成熟,已有产品)β-Ga2O3 (研发中,性能优于以上两种)

  对比上边三代半导体材料与Si参数:


  以上各参数代表什么意义呢,以SiC为例说明:

  禁带宽度:三代半导体相对于Si有更高的禁带宽度,意味着化学键能大,高温晶体结构稳定,表现在功率电子器件上就是高温工作稳定性(简化散热结构)


  
绝缘击穿电场:三代半导体能承受更高场强,因此可做到更高掺杂浓度,例如,同等电压等级SiC比Si外延层更薄,表现出来就是SiC功率器件有更低的导通电阻a) 减小9/10厚度(相同耐压)b) 增大掺杂浓度(平方成正比)c) 性能更优器件(SBD代替FRD、MOSFET代替IGBT)


  饱和漂移速度:更高的载流子饱和漂移速度意味着更高的开关速度,由于SiC的本征载流子浓度非常低且漏电流小,因此SiC器件有着优异的反向恢复特性a) 开关速度更快b) 周边元器件小型化(电感、电容)


  导热率:热导率大,易散热a) 热阻更小b) 散热片小型化c) 提高可靠性,减小器件过温失效风险(过温是电力电子器件失效的主要原因之一,占比约70%)


  
以上特性用雷达图概括一下:


  图片来源:2018 ROHM交流会

  三代半的难点



  三代半的应用领域


  SiC偏向于高压、高频、大功率领域应用;GaN则在LED照明、射频器件、激光雷达、及低压高频领域更有前景。

  新能源汽车为例,三大半导体有应用前景的领域:


  新能源方面:电机控制器DC/DC车载充电机OBC无线充电直流快充其他方面:车灯激光雷达

  电机控制器为例说明优势

  还记得之前说IGBT诞生的时候,为啥MOS在高压大电流领域被IGBT取代了

  要耐高压,Si-MOS就要做的更厚,必然导致关键参数导通电阻Rds(on)增大,导致很大的损耗;现在SiC-MOS可以做薄,把Rds(on)做小,导通损耗降低,这时SiC-MOS更高的开关频率又凸显出更低的开关损耗,对于电动汽车行驶工况来说,在效率上是很有优势的

  仿真结果:电动汽车在400V和800V直流母线电压电压下不同半导体技术的WLTP循环下的能耗,可以发现SiC能耗潜力:


  来源:Effects of a SiC TMOSFET tractions inverters on the electric vehicle drivetrain PCIM Europe 2018

  Tesla Model 3应用SiC-MOS的主逆变器已经量产

  SiC产业链公司


  小结

  在功率电子领域,SiC的应用可以缩小体积,提高效率,是目前公认的一个趋势;就整个产业链而言,目前受原材料及芯片制造产能的制约,尚无法大规模量产。但是,根据硬件摩尔定律,SiC的到来或许比我们想象的要快

  机会和挑战并存,希望电动车的发展能快速推动国内IGBT及SiC产业链的发展

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