電子設計 發表於 2018-09-25 10:36:00
WBG在高功率高溫電子中的應用
功率電子是基礎產業;所有電力設備都將使用某種形式的電源管理器件。因此，功率器件的進步也推動了大量應用的進展。這就是為何看到使用WBG材料的功率電子是很常見並令人欣喜的事。WBG最初被用於發光二極體（LED），然後擴展到射頻器件與SAW濾波器，首次亮相於功率電子領域是1992年首個400V SiC肖特基二極體的問世。自那時起，WGB功率電子產品組合已不斷擴充，包括1200V SiC肖特基二極體以及整流器，JFET，MOSFET，BJT和可控矽，參與的製造商也眾多，包括Cree公司和意法半導體等。
作為行業領導者，Cree進入WBG已經有段歷史，其產品組合包括MOSFET，肖特基二極體和整流器，LED燈等。 2011年，Cree公司推出了SiC MOSFET Z-FET™線，它具備目前業界最高的效率，同時也提升了電源開關應用的可靠性。意法半導體STPSC家族目前已經包括600V，650V，1200V的SiC二極體。 STPSC6H12是一款高性能1200V SiC肖特基整流器，專用於光電逆變器。由於其在任何溫度下高頻工作時開關損耗低以及超快的開關速度，可以將變頻器良率增加多達2％。相比於雙極二極體，SiC二極體的損耗可以降低70％。
碳化矽（SiC）是目前最成熟的WBG材料，市場已經出現大量的SiC功率器件，這些產品也來自於眾多廠家，包括Cree，GeneSiC，英飛凌，松下，羅姆，意法半導體，Semelab/ TT電子和美國中央半導體。對於功率器件，SiC相對於矽的優勢包括更高的效率，更低的損耗，更高的開關頻率，可以去掉一些無源元件以保持緊湊的設計，以及更高的擊穿電壓（幾十千伏）。SiC在功率電子設計中可實現更快的運行速度，以及尺寸更小的磁性元件。
這些特性使得SiC適用於高功率（>1200V，>100千瓦），耐高溫（200° - 400°C）的應用，同時也適用於要求較松的使用。可再生能源發電（太陽能逆變器和風力渦輪機），地熱能（潛孔鑽），汽車（混動汽車/電動汽車），交通（飛機，船舶和鐵路牽引），軍用系統，太空計劃，工業電機驅動，不間斷電源，和離線電源中的功率因數校正（PFC）升壓級，這些應用均適合使用SiC功率器件。
作為一種新興技術，SiC比矽的生產成本更高，導致GaN的低成本優勢顯現，基於GaN的功率器件現在剛剛進入市場。這些器件表現為在一個SiC或者矽襯底上連接GaN，否則同時使用GaN襯底代價將非常高昂。儘管降低了成本，以及保持了SiC一樣超出於矽的性能優勢，但與基板的不匹配降低了GaN的高理論熱傳導率，實際值也略低於矽。GaN-on-Si類WBG的優勢包括：高電壓操作，高開關頻率和出色的可靠性 特別是預期最早在2015年GaN-on-Si的價格將與矽相同，這樣基於GaN的功率器件將對亞900 V應用有很大的吸引力。隨著成本下降，GaN功率器件也將出現在下一代消費電子產品中，因為這些產品對尺寸大小、效率以及價格非常敏感。
SiC功率半導體2013年的銷售額為大約2億美元，但預計在未來數年將飛速增長，一些預測估計，到2022年銷售額將接近18億美元。儘管GaN功率器件剛剛進入市場，但同期（2022年）銷售額預計將超過10億美元。雖然預期SiC和GaN功率器件將獲得指數級增長，考慮到2020年全球功率半導體市場的價值估計約為650億美元（IHS / IMS研究），很顯然未來幾年矽的市場價值仍將持續。在低功低壓市場中尤其如此，而這裡主要採用窄帶隙材料。低功低壓市場的新材料開發仍處於起步階段。例如，石墨烯、零帶隙材料，由於其獨特的性能，已經帶來了諸多驚喜。石墨烯具有可調整的帶隙，優異的導電性，耐久性，重量輕，直到最近的2004年才分離出來。有趣的是，在低壓（〜10 -6託）加熱SiC到高溫（> 1100℃）時，SiC就轉換成石墨烯。
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