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带你了解SIC碳化硅MOSFET在电源领域的应用与发展

返回列表 来源:晶恒 浏览:- 发布日期:2021-02-25 15:32:35【

        

          碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物,莫桑石。 碳化硅又称碳硅石。在当代CNB等非氧化物高技术耐火原料中,碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。可以称为金钢砂或耐火砂。

碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级),具有优良的导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。


一、碳化硅场效应管 SiC-MOSFET

          SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为理想器件而备受期待。然而,相对于以往的Si材质器件,SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求,将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。


二、碳化硅MOS的结构

          碳化硅MOSFETSiC MOSFETN+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式,在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有SiC两种原子存在,需要非常特殊的栅介质生长方法。

SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。


三、碳化硅MOS的优势

          硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制,高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V10kV的广泛电压范围,同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

          20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半, 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。同一额定电流900V的器件,碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET5%。对于桥式电路来说(特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候),这个指标非常关键,它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音,便于提高开关工作频率。


四、碳化硅MOS管的应用

          碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势,可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制,这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车(HEV)、纯电动汽车(EV)内功率控制单元(PCU),使用碳化硅MOSFET模块,体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统,使用SiC MOSFET模块,功率驱动模块集成到了电机内,实现了一体化和小型化目标。预计近几年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。


五,SIC碳化硅MOS管的发展

          碳化硅MOS管在国内的使用率还非常的低,处于叫好不叫座的尴尬局面,究其原因,主要有以下几个方面。

1:高价格

          很多工程师还认为碳化硅MOS是硅MOS的数倍价格,以100A/1200V17毫欧内阻)为例,2020年初国外大品牌单价普遍在300元以上。

2:供货周期太长

          目前国外品牌供货普遍非常吃紧,有些品牌的订货周期甚至达到4-12个月。

3:驱动电路难以选择

         碳化硅MOS管驱动时,由于需要负压关断,驱动电流也比较大,需要配套的驱动电路才能工作。但是目前市面上驱动电路非常少,而且单价也相对较高。

如今随着技术的不断发展,以上问题已逐一得到了解决。

1:高单价问题

          目前国内品牌已经开始量产碳化硅MOS管产品,打破了国外品牌的垄断。据估算,随着制造国产化以后,同样的电流水平,碳化硅MOS将远低于硅MOSIGBT器件。SiC MOSFET 的价格将会继续下降。

2:供货周期问题

          国外碳化硅MOS管供应商基本都是接单后才安排生产,加上近年电动车厂商飙升的订单,导致了他们的供货周期普遍很长。

但是国内厂商进入碳化硅MOS管领域后,完全打破这种模式。基本都是自己提前预估需求,自己大量备货。通常情况下,常见型号可以做到客户下单就能提货。

3:驱动电路

          目前国内不少客户都用分离器件搭驱动电路,大家发现这种电路不但性能优良,而且器件极易采购,成本也非常低廉。

另外,使用碳化硅MOS管,还可以助你解决以下问题:

1:显著提升效率,降低系统温升

典型应用:电动车控制器,风能,太阳能逆变电源

2:减小电源体积

典型应用:手机快充,工业电源

            SiC MOSFET 今天的发展状况指出了主要的商业障碍(包括价格、可靠性、耐用性和供应商的多样化)的解决方案。尽管价格溢价超过硅 IGBT,但由于成本抵消的系统层面效益,SiC MOSFET 已经取得了成功;随着材料成本的下降,这种技术的市场份额在未来几年将大幅增加。近两年,SiCMOSFET 终于似乎做好了广泛的商业成功的准备,并在绿色能源运动中发挥出重要的角色。

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