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碳化硅肖特基二極管的應(yīng)用方向!

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作者:碳化硅肖特基二極管選型工程師來源:碳化硅肖特基功率器件

  本文主要介紹了碳化硅二極管的應(yīng)用領(lǐng)域和歷史,并詳細(xì)說明了碳化硅MOS管的分類和結(jié)構(gòu)。硅和碳的**成分是碳化硅(SiC),俗稱金剛砂。碳化硅在自然界中以礦物碳硅石的形式存在,但非常罕見。然而,自1893年以來,粉末碳化硅已作為磨料大量生產(chǎn)。碳化硅作為磨料已經(jīng)使用了一百多年,主要用于砂輪和許多其他研磨應(yīng)用。


  在達(dá)到閾值電壓(VT)之前,SiC具有高電阻。當(dāng)達(dá)到閾值電壓時,其電阻將大大降低,直到施加的電壓降至VT以下。SiC利用這一特性最早的電氣應(yīng)用是配電系統(tǒng)中的避雷器(如圖)。


  因為SiC有壓敏電阻器,所以SiC芯柱可以接在高壓線和地之間。如果電力線被雷擊中,線電壓會上升,超過SiC避雷器的閾值電壓(VT),從而將雷電流導(dǎo)向并傳遞到地面(而不是電力線),從而不造成危害。但是這些SiC避雷器在電力線正常工作電壓下導(dǎo)電太強(qiáng)。因此,火花隙必須串聯(lián)。當(dāng)電源線的電壓因雷擊導(dǎo)致上升時,火花隙會電離導(dǎo)電,有效地將SiC避雷器連接在電源線和地面之間。后來相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)避雷器用的火花隙不可靠。由于材料故障、灰塵或鹽侵入,可能會發(fā)生火花隙在需要時無法觸發(fā)電弧,或閃電后電弧無法熄滅的情況。碳化硅避雷器最初是為了消除對火花隙的依賴,但由于其不可靠性,帶間隙的碳化硅避雷器大多被氧化鋅芯無間隙變阻器取代。


  電力電子學(xué)中的SiC。

碳化硅功率器件原材料

  碳化硅生產(chǎn)的半導(dǎo)體器件有很多種,包括肖特基二極管(也稱為肖特基勢壘二極管,或SBD),J型場效應(yīng)晶體管(或JFET),以及用于大功率開關(guān)應(yīng)用的場效應(yīng)晶體管。一些公司開始嘗試將碳化硅肖特基二極管裸芯片應(yīng)用于電力電子模塊。實際上,硅基片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于IGBT電源模塊和功率因數(shù)校正電路中。


  SiC的優(yōu)缺點。


  碳化硅基電力電子元件如此有吸引力的一個原因是,在給定的阻斷電壓下,它們的摻雜密度幾乎是硅基器件的一百倍。這樣,可以通過低導(dǎo)通電阻獲得高阻斷電壓。低導(dǎo)通電阻對于大功率應(yīng)用非常重要,因為當(dāng)導(dǎo)通電阻降低時,產(chǎn)生的熱量更少,從而降低系統(tǒng)熱負(fù)荷并提高整體效率。


  然而,生產(chǎn)碳化硅基電子元件存在一些困難,消除缺陷已成為最重要的問題。這些缺陷會導(dǎo)致SiC晶體制成的元器件反向阻斷性能較差。除了晶體質(zhì)量問題,二氧化硅和SiC的界面問題也阻礙了SiC基功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體的發(fā)展。幸運的是,在生產(chǎn)中使用滲氮技術(shù)可以大大減少導(dǎo)致這些界面問題的缺陷。


  SiC研磨片。


  碳化硅在許多工業(yè)應(yīng)用中仍被用作磨料。主要用作電子行業(yè)的拋光膜,用于拼接前對光纖兩端進(jìn)行拋光。這些光闌可以為光纖接頭帶來高平滑度,以便有效操作。碳化硅已經(jīng)生產(chǎn)了一百多年,但直到最近才用于電力電子行業(yè)。由于其特殊的物理和電氣特性,它在高壓和高溫應(yīng)用中非常有用。


  如今,碳化硅二極管被用于各種領(lǐng)域。

SIC碳化硅器件應(yīng)用趨勢

  1.太陽能逆變器。


  太陽能發(fā)電用二極管的基礎(chǔ)材料——碳化硅二極管,在各項技術(shù)指標(biāo)上都優(yōu)于普通雙極二極管技術(shù)。碳化硅二極管的通斷狀態(tài)切換速度非??欤闷胀p極二極管技術(shù)切換時沒有反向恢復(fù)電流。消除反向恢復(fù)電流效應(yīng)后,碳化硅二極管的能耗降低了70%,可以在較寬的溫度范圍內(nèi)保持較高的能效,提高了設(shè)計人員優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率的靈活性。


  2.新能源汽車充電器。


  通過汽車級產(chǎn)品測試后,碳化硅二極管的擊穿電壓提高到650伏,可以滿足設(shè)計人員和汽車制造商降低電壓補(bǔ)償系數(shù)的要求,從而保證車載可充電半導(dǎo)體元件的標(biāo)稱電壓和瞬時峰值電壓之間有足夠的安全裕度。雙管二極管產(chǎn)品可以**限度地利用空間,減輕車載充電器的重量。


  3.開關(guān)電源的優(yōu)點。


  碳化硅的使用可以非??焖俚厍袚Q,以高頻率操作,并且具有零恢復(fù)和與溫度無關(guān)的行為。利用我們的低電感RP封裝,這些二極管可以用于任何數(shù)量的快速開關(guān)二極管電路或高頻轉(zhuǎn)換器。


  4.產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。


  碳化硅二極管:重型電機(jī)和工業(yè)設(shè)備主要用于高頻電源的轉(zhuǎn)換器,可以帶來高效率、大功率、高頻的優(yōu)勢。


  SiC器件。


  1.SiC器件的分類。


  碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管.


  碳化硅場效應(yīng)晶體管是碳化硅功率電子器件研究中最受關(guān)注的器件。如今,硅材料已接近理論性能極限,碳化硅功率器件因其耐壓高、損耗低、效率高而被視為“理想器件”。然而,與以前的硅器件相比,性能與成本的平衡及其對高技術(shù)的需求將成為碳化硅功率器件推廣的關(guān)鍵。


  二、碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)。


  N+源區(qū)和P阱金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管通過離子注入進(jìn)行N+摻雜,并在1700℃退火。另一個關(guān)鍵過程是碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體柵極氧化物的形成。因為硅和碳原子都存在于碳化硅中,所以需要一種非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。溝槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下:


  碳化硅場效應(yīng)晶體管的溝槽結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮碳化硅的特性。


  三、碳化硅MOS的優(yōu)勢。


  一般來說,硅IGBT只能在低于20kHz的頻率下工作。由于材料的限制,無法實現(xiàn)高壓高頻硅器件。碳化硅MOSFET不僅適用于600V到10kV的寬電壓范圍,還具有單極器件的優(yōu)良開關(guān)性能。與硅IGBT相比,當(dāng)開關(guān)電路中沒有電流尾時,碳化硅場效應(yīng)晶體管具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。


  20kHz碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz硅IGBT模塊低一半,50A碳化硅模塊可以代替150A硅模塊。它顯示了碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管在工作頻率和效率方面的巨大優(yōu)勢。


  碳化硅MOSFET的寄生體二極管反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr非常小。如圖,碳化硅MOSFET寄生二極管的反向電荷只有同電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路(尤其是LLC變換器工作在諧振頻率以上時),這個指標(biāo)非常關(guān)鍵,可以減少死區(qū)時間和體二極管反向恢復(fù)帶來的損耗和噪聲,方便提高開關(guān)頻率。


  四、碳化硅MOS管的應(yīng)用!


  碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)力發(fā)電、電動汽車和軌道交通等中高功率系統(tǒng)的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高電壓、高頻、高效率等優(yōu)點,可以突破現(xiàn)有電動車電機(jī)設(shè)計中器件性能的限制,是國內(nèi)外電動車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點。比如電裝和豐田聯(lián)合開發(fā)的混合動力汽車(HEV)和純電動汽車(EV)中的動力控制單元(PCU)采用碳化硅MOSFET模塊,體積比降為1/5。三菱公司開發(fā)的EV電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用SiCMOSFET模塊,將功率驅(qū)動模塊集成到電機(jī)中,實現(xiàn)了集成化和小型化的目標(biāo)。預(yù)計近年來國內(nèi)外電動汽車將廣泛使用碳化硅MOSFET模塊。

碳化硅肖特基二極管應(yīng)用方向!

  寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè),從事碳化硅場效應(yīng)管,碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計配套服務(wù),總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi),并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。


  公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn),產(chǎn)品完全可以對標(biāo)國際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級、車規(guī)級可靠性測試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品,性能達(dá)到國際先進(jìn)水平,應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性,即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性,大幅降低開關(guān)損耗,使元器件更小型化及輕量化,效能更高效,提高系統(tǒng)整體可靠性,可使電動汽車在續(xù)航里程提升10%,整車重量降低5%左右,并實現(xiàn)設(shè)計用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運行。

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