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功率半导体产业展新局 碳化矽跻身电源元件主流

导读: 过去几年来,碳化矽(SiC)型功率半导体解决方案的使用情形大幅成长,成为各界仰赖的革命性发展。推动此项市场发展的力量包括下列趋势:节能、缩减体积、系统整合及提升可靠性。

  过去几年来,碳化矽(SiC)型功率半导体解决方案的使用情形大幅成长,成为各界仰赖的革命性发展。推动此项市场发展的力量包括下列趋势:节能、缩减体积、系统整合及提升可靠性。

  IGBT搭配SiC二极体 宽带隙技术改变局势

  SiC装置定位能够充分因应上述市场挑战。这项全新的宽带隙技术,不仅是向前迈进的革命性发展(例如过去几年来每一代新型的矽功率装置),也具有真正改变局势的能力。碳化矽型系统的革命性能力在于大幅提升效能,对于关注创新及划时代解决方案的设计人员而言,相当具有吸引力。IGBT或超接面MOSFET结合SiC二极体,已经成为多种应用的标准配备,例如太阳能、充电器或电源供应。

  这类组合是以快速的矽基开关搭配SiC二极体,通常称为“混合式”解决方案。

  近年来英飞凌已经制造数百万个混合式模组,安装于各种不同的客户产品。

  全球第一个混合式模组是在十多年前开发,以英飞凌EconoPACK封装平台为基础(图1)。特定应用部门是英飞凌任何新技术的初期采用者。视实际系统价值而定,如果新技术成本/效能的吸引力,足以改用更高技术的新型解决方案,其他应用就会跟进。英飞凌将深获肯定的SiC二极体设计,应用于高阶电源供应器之后,发现太阳能变频器及升压电路是其中最可能受益于此项新技术的部分。

  功率半导体产业展新局 碳化矽跻身电源元件主流

  图1 全球第一个混合式模组解决方案,自2006年起生产。

  除此之外,不断电系统(UPS)及充电器等领域也可能跟进。像是马达驱动器、牵引设备,以及长期展望的汽车应用等传统部门,预计都将非常有兴趣大规模改采新型半导体技术。

  以往,能源效率是设计及行销的关键,也使太阳能变频器迈向成功。例如升压电路使用的SiC二极体,是达到98%以上效率的最佳解决方案。

  目前太阳能设计的主要趋势,是基于减少切换损耗的方式来提升功率密度,实现体积更小的散热器,此外也允许使用更高的作业频率,藉以缩小磁铁尺寸。 SiC二极体在现代太阳能变频器及微变频器应用方面,正逐渐成为主要元件。最近英飞凌SiC二极体技术迈入第五代。SiC二极体则更进一步采用缩小晶粒的方式,达到更具吸引力的成本定位。

  此外,新技术功能实作之后,将较前代技术提供更多的客户利益,例如降低正向电压降,使导通损耗减少,以及提升突波电流功能,并改善崩溃行为。混合式解决方案是现今全球太阳能变频器的标准作法。英飞凌已经提供此类技术15年以上,以深获肯定的纪录及可靠的大量生产,成为此项技术值得信赖的合作夥伴。

  英飞凌采用整合式的制造概念,SiC晶片的生产线与大量的矽功率晶片相同,藉此保证达到与矽产品同等的可靠性及制程稳定性。此外,这项整合式概念也在产能方面也有所弹性,这项关键因素有助于在快速变迁的市场上推动新兴技术普及。

  依据对系统的深入瞭解,并明确着重在提升成本效能,可在矽半导体及碳化矽半导体之间形成最佳组合,成功定义产品。

  磁铁元件尺寸大幅缩减 SiC成功在望

  这项作法不再以纯半导体技术推动产品定义,而是针对目标系统量身打造的解决方案,此一发展方向是SiC成功在望的关键要素。从二极体技术的经验看来,SiC电晶体未来几年将以类似方式推出。这是重要的下一步,让SiC更能与主流技术并驾齐驱。如上所述,关键要素为:

  .深获肯定的坚固程度

  .具吸引力的成本/效能,实现可评测的系统优点

  .大量生产能力

  .依据对系统的瞭解来推动产品定义

  多年来进行丰富深入的研究,主要是为了瞭解SiC的系统利益。使用单极SiC电晶体的转换器提升切换频率,可大幅缩减磁铁元件的体积和重量。依据英飞凌的分析,建构于SiC装置的转换器相较于现有的矽基参考解决方案,尺寸仅为三分之一,重量则只有25%。由于体积及重量大幅缩减,系统成本也可降低20%以上。

  未来几年碳化矽解决方案将扩展进入其他应用领域,例如工业或牵引装置。这是因为市场力量促使损耗降低,不仅为了提升效率,也是为了缩小封装体积(由减少散热器需求所促成)。如图2所示,SiC已经用于各种高阶及利基解决方案。现今的设计也发挥上述效益,在特定应用领域降低系统成本。

  功率半导体产业展新局 碳化矽跻身电源元件主流

  图2 SiC的优点取决于使用场所及相关应用

  未来实作碳化矽解决方案后,会有更多应用受益于整体的损耗降低。在此方面,下一项重要步骤就是采用SiC开关。

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