Einführung in Siliziumkarbid-Leistungsgeräte

Siliziumkarbid (SiC)Leistungsbauelemente sind Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbidmaterialien, die hauptsächlich in elektronischen Hochfrequenz-, Hochtemperatur-, Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsbauelementen auf Siliziumbasis (Si) weisen Siliziumkarbid-Leistungsbauelemente eine höhere Bandlückenbreite, ein höheres kritisches elektrisches Durchbruchfeld, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere gesättigte Elektronendriftgeschwindigkeit auf, was ihnen ein großes Entwicklungspotenzial und einen großen Anwendungswert auf diesem Gebiet verleiht der Leistungselektronik.

Vorteile von SiC-Leistungsgeräten

1. Hohe Bandlücke: Die Bandlücke von SiC beträgt etwa 3,26 eV, dreimal so viel wie die von Silizium, wodurch SiC-Geräte bei höheren Temperaturen stabil arbeiten und nicht so leicht durch Umgebungen mit hohen Temperaturen beeinträchtigt werden.

2. Hohes elektrisches Durchschlagsfeld: Die elektrische Durchschlagsfeldstärke von SiC ist zehnmal so hoch wie die von Silizium, was bedeutet, dass SiC-Geräte höheren Spannungen ohne Durchschlag standhalten können, was sie sehr gut für Hochspannungsanwendungen geeignet macht.

3. Hohe Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist dreimal höher als die von Silizium, was eine effizientere Wärmeableitung ermöglicht und dadurch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Leistungsgeräten verbessert.

4. Hohe Elektronendriftgeschwindigkeit: Die Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit von SiC ist doppelt so hoch wie die von Silizium, wodurch SiC-Geräte bei Hochfrequenzanwendungen eine bessere Leistung erzielen.

Klassifizierung von Siliziumkarbid-Leistungsgeräten

Je nach Struktur und Anwendung lassen sich Siliziumkarbid-Leistungsgeräte in die folgenden Kategorien einteilen:

1. SiC-Dioden: Dazu gehören hauptsächlich Schottky-Dioden (SBD) und PIN-Dioden. SiC-Schottky-Dioden zeichnen sich durch einen geringen Durchlassspannungsabfall und eine schnelle Erholungscharakteristik aus und eignen sich für Hochfrequenz- und Leistungsumwandlungsanwendungen mit hohem Wirkungsgrad.

2. SiC-MOSFET: Es handelt sich um ein spannungsgesteuertes Leistungsgerät mit niedrigem Einschaltwiderstand und schnellen Schalteigenschaften. Es wird häufig in Wechselrichtern, Elektrofahrzeugen, Schaltnetzteilen und anderen Bereichen eingesetzt.

3. SiC-JFET: Er verfügt über die Eigenschaften einer hohen Spannungsfestigkeit und einer hohen Schaltgeschwindigkeit und ist für Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungsumwandlungsanwendungen geeignet.

4. SiC-IGBT: Er kombiniert die hohe Eingangsimpedanz von MOSFET und die niedrigen Einschaltwiderstandseigenschaften von BJT und eignet sich für die Leistungsumwandlung mittlerer und hoher Spannung sowie den Motorantrieb.

Anwendungen von Siliziumkarbid-Leistungsgeräten

1. Elektrofahrzeuge (EV): Im Antriebssystem von Elektrofahrzeugen können SiC-Geräte die Effizienz von Motorsteuerungen und Wechselrichtern erheblich verbessern, Leistungsverluste reduzieren und die Reichweite erhöhen.

2. Erneuerbare Energie: In Solar- und Windkraftanlagen werden SiC-Leistungsbauelemente in Wechselrichtern eingesetzt, um die Effizienz der Energieumwandlung zu verbessern und die Systemkosten zu senken.

3. Industrielle Stromversorgung: In industriellen Stromversorgungssystemen können SiC-Geräte die Leistungsdichte und Effizienz verbessern, Volumen und Gewicht reduzieren und die Systemleistung verbessern.

4. Stromnetz sowie Übertragung und Verteilung: In der Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) und in intelligenten Netzen können SiC-Stromversorgungsgeräte die Umwandlungseffizienz verbessern, Energieverluste reduzieren und die Zuverlässigkeit und Stabilität der Stromübertragung verbessern.

5. Luft- und Raumfahrt: Im Luft- und Raumfahrtbereich können SiC-Geräte in Umgebungen mit hohen Temperaturen und hoher Strahlung stabil arbeiten und eignen sich für Schlüsselanwendungen wie Satelliten und Energiemanagement.

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