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碳化矽

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開創功率轉換新局面 SiC MOSFET邁入主流市場

SiC提高功率轉換效能 眾半導體商因應此趨勢推出各種方案,例如英飛凌便展示了CoolSiC MOSFET系列的相應功能集以及搭配的驅動器IC,其支援入門級應用。例如,光電變頻器、不斷電系統(UPS)、驅動器、電池充電基礎設施以及能源儲存解決方案。 在未來,將有越來越多的功率電子應用無法僅倚賴矽(Si)裝置滿足目標需求。由於矽裝置的高動態損耗,因此藉由矽裝置提高功率密度、減少電路板空間、降低元件數量及系統成本,同時提高功率轉換效能,即成為一個相互矛盾的挑戰。為解決此問題,工程師們逐漸開始採用以碳化矽材料為基礎的功率半導體來部署解決方案。 SiC蕭特基二極體長期以來持續創新,像是英飛凌於2001年推出首批600V產品,並持續擴大包括650V與1200V電壓等級的產品組合,同時也開發並發表新世代產品,其單位晶片面積具有更高的電流處理能力,同時降低了功率損耗,目前已生產數億個SiC二極體晶片並供應至市場。 在這十多年來,諸如太陽能變頻器中的MPP追蹤或開關式電源供應器中的功率因數校正等應用中,使用Si IGBT加上SiC二極體或具有SiC二極體的超接面Si MOSFET已成為最先進的解決方案,可實現高轉換效率及高可靠度的系統。市場報告甚至強調SiC二極體正進入生產率的平原期。SiC技術中的量產技術、生產品質監控以及具有優異FIT率的現場追蹤記錄,為採用包含SiC MOSFET之產品策略奠定了下一步基礎。 SiC MOSFET/Si IGBT 效能大有優勢 SiC半導體材料中的電晶體功能,為整體電力供應鏈(從能源產生、傳輸及分配給消費者)的能源效率(以較少能源獲得更多能源)提供了更大的潛力。 讓我們仔細研究一下SiC MOSFET與Si IGBT的效能優勢。圖1顯示了先進的矽解決方案範例:如果目標為高效率與高功率密度,具有650V與1200V Si IGBT的3-Level T類拓撲的一個相位腳通常會用於三相系統,例如光電變頻器與UPS。採用此種解決方案,效率最高可達到20~25kHz的切換頻率。由於裝置電容較低、部分負載導通損耗較低,以及沒有關斷尾電流,因此1200V SiC MOSFET的電流損耗比1200V Si IGBT低約80%。在外部切換位置使用1200V SiC MOSFET可大幅提升效率,並在指定的框架尺寸中達到更高的輸出功率。 圖1 先進的矽解決方案範例 進一步提高切換頻率會導致矽基解決方案效率與最大輸出功率迅速降低,但SiC MOSFET的低切換損耗不會有此問題。透過此範例的證明,工作頻率高達72kHz的三倍仍帶來比24kHz運作之矽解決方案更高的效率。因此可縮減被動元件實體尺寸、減少冷卻作業,並達到更低的系統重量與成本。 另一個三相電力轉換範例是電動車的充電基礎設施。1200V SiC MOSFET可為DC-DC轉換級建構一個LLC全橋級,其中典型的矽解決方案倚賴650V Si超接面MOSFET,需要兩個串聯的LLC全橋來支援800V的DC鏈路。而四組SiC MOSFET加上驅動器IC即可取代八組Si超接面MOSFET加上驅動器IC,如圖2所示。除了零件數量減少及電路板空間縮減之外,還可以使效率達到最佳化。在每個導通狀態下,相較於Si解決方案中的四個切換位置,SiC MOSFET解決方案僅打開兩個切換位置。在快速電池充電中使用SiC...
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收購/新品發布 英飛凌強力布局SiC/GaN市場

因應節能減碳風潮,寬能隙半導體如氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等需求逐漸上揚,商機也跟著加速成長。為搶占市場先機,電源晶片供應商英飛凌(Infineon)近日動作頻頻,不僅收購位於德國德勒斯登的新創公司Siltectra,獲得其創新冷切割技術(Cold Split)以處理SiC晶圓外,也於2018年德國慕尼黑電子展宣布旗下GaN全新解決方案「CoolGaN 600V增強型HEMT與GaN EiceDRIVER閘極驅動IC」進入量產。 英飛凌執行長Reinhard Ploss表示,收購Siltectra將有利於擴展該公司旗下的SiC產品組合,Cold Split技術有助於我們以更多的SiC晶圓量產SiC產品,進一步擴展在再生能源,以及推動SiC在電動車傳動系統的使用率。 據悉,Siltectra成立於2010年,相較於一般切割技術,此新創公司開發的分割結晶材料技術對於材料的耗損極低;而此技術也能應用於半導體材料SiC,SiC的需求預計將在未來幾年內迅速成長。 目前SiC產品已應用於效率極高的小型太陽能變頻器,未來SiC在電動車領域的重要性也將日益提高,而英飛凌已準備好將Cold Split技術運用於SiC產品,該技術將有助於確保SiC產品的供應,特別是長期而言;且Cold Split技術可望再往進一步應用,例如晶棒分裂或用於碳化矽以外的材料。 至於在GaN方面,英飛凌近日則於2018年德國慕尼黑電子展上推出全新解決方案「CoolGaN 600 V增強型HEMT和GaN EiceDRIVER IC」,並宣布新品進入量產。新產品具備更高功率密度,可實現更加小巧、輕型的設計,從而降低系統總成本、運營成本以及減少資本支出。 總而言之,在購併新創公司Siltectra後,英飛凌將可透過Cold Split技術有效提升SiC的產能,同時在全新GaN解決方案的推出之後,該公司也成為市場上可提供矽(Si)、SiC和GaN全系列功率產品的電源晶片供應商,市場競爭優勢將有望顯著提升。
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SiC/GaN電源模組封裝材料2023年產業規模達19億美元

碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)正在推動新的電源封裝解決方案發展,市場研究組織Yole Développement表示,SiC技術逐步成為滿足工業要求的重要解決方案,市場估計2017年至2023年的複合年成長率(CAGR)達到29%。電源模組封裝材料產業在2017~2023年的CAGR為8.2%,產業規模將從12億美元成長到19億美元。 除半導體產業外,EV/HEV產業對高功率密度和機電整合的需求也以專用封裝解決方案推動了許多電力電子創新。在不斷創新的過程中,有兩個主要技術趨勢,用於混合動力汽車的超模壓雙側冷卻模組和用於電動車的帶有針翅式底板的單側冷卻模組。 事實上,2017年是IGBT功率模組市場令人印象深刻的一年,2018年又更上一層樓,上半年成長超過20%。主要原因是EV/HEV產業的推動,特別是在中國。因此,整個電源模組市場預計在2023年將超過55億美元。  
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ST電隔離柵極驅動器控制SiC電晶體

半導體供應商意法半導體(STMicroelectronics, ST)的STGAP2S單路隔離柵極驅動器提供26V的最大柵極驅動輸出電壓,能讓使用者選擇獨立的導通/關斷輸出或內部主動米勒鉗位功能,其可使用於各種開關拓撲控制碳化矽(SiC)或矽MOSFET和IGBT功率電晶體。 STGAP2SCM配備一個主動米勒鉗位專用腳位,提供一個防止半橋架構意外導通的簡便解決方案。在MOSFET關斷狀態時,該腳位可將MOSFET柵極電壓限制在隔離接地電壓,直到下一個真正的導通訊號出現為止。 STGAP2SM具有獨立的導通/關斷輸出,可搭配兩個外部柵極電阻來優化電晶體開關性能。 全系列STGAP2S驅動器標配4A Rail-to-Rail輸出,即使驅動大功率逆變器,也能確保開關操作迅速、高效。輸入到輸出傳播延遲在80ns以內,在高開關頻率下也能達到PWM精確的控制,滿足SiC元件的驅動要求。出色的抗dV/dt共模瞬變干擾能力,使其能夠防止耗能的雜散開關操作。 元件內建1700V電隔離功能,可以降低消費或工業用馬達驅動器、600V或1200V變頻器、DC/DC轉換器、充電器、電焊機、感應爐、不斷電供應系統(Uninterruptible Power Supply, UPS)和功率因數校正(Power-Factor Correction, PFC)控制器的物料成本。 這些產品整合全面的保護功能,其中,欠壓鎖定(Under-Voltage Lockout, UVLO)可在電源電壓過低時保護電源開關。此外,過熱保護和硬體互鎖可以防止半橋電路中的高/低邊交叉導通;待機模式可在節省電源的同時將輸出保持在安全狀態。  
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