Anwendungen von Siliziumkarbid

Unter den Kernkomponenten von Elektrofahrzeugen spielen Automobil-Leistungsmodule, die hauptsächlich die IGBT-Technologie nutzen, eine entscheidende Rolle. Diese Module bestimmen nicht nur die entscheidende Leistung des elektrischen Antriebssystems, sondern machen auch über 40 % der Kosten des Motorwechselrichters aus. Aufgrund der erheblichen Vorteile vonSiliziumkarbid (SiC)Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziummaterialien (Si) werden SiC-Module zunehmend in der Automobilindustrie eingesetzt und gefördert. Elektrofahrzeuge nutzen mittlerweile SiC-Module.

Der Bereich der New-Energy-Fahrzeuge wird zu einem entscheidenden Schlachtfeld für die weitverbreitete Einführung vonSiliziumkarbid (SiC)Leistungsgeräte und Module. Wichtige Halbleiterhersteller setzen aktiv Lösungen wie SiC-MOS-Parallelkonfigurationen, dreiphasige Vollbrücken-Elektroniksteuermodule und SiC-MOS-Module in Automobilqualität ein, die das erhebliche Potenzial von SiC-Materialien hervorheben. Die hohen Leistungs-, Hochfrequenz- und Leistungsdichteeigenschaften von SiC-Materialien ermöglichen eine erhebliche Reduzierung der Größe elektronischer Steuerungssysteme. Darüber hinaus haben die hervorragenden Hochtemperatureigenschaften von SiC im Bereich der neuen Energiefahrzeuge große Aufmerksamkeit erregt und zu reger Entwicklung und Interesse geführt.

Derzeit sind SiC-Schottky-Dioden (SBD) und SiC-MOSFETs die gebräuchlichsten SiC-basierten Bauelemente. Während Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) die Vorteile von MOSFETs und Bipolartransistoren (BJTs) vereinen,SiCAls Halbleitermaterial mit großer Bandlücke der dritten Generation bietet es im Vergleich zu herkömmlichem Silizium (Si) eine bessere Gesamtleistung. Die meisten Diskussionen konzentrieren sich jedoch auf SiC-MOSFETs, während SiC-IGBTs kaum Beachtung finden. Diese Ungleichheit ist in erster Linie auf die Dominanz siliziumbasierter IGBTs auf dem Markt trotz der zahlreichen Vorteile der SiC-Technologie zurückzuführen.

Da Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke der dritten Generation immer beliebter werden, entwickeln sich SiC-Geräte und -Module in verschiedenen Branchen zu potenziellen Alternativen zu IGBTs. Dennoch hat SiC die IGBTs nicht vollständig ersetzt. Das Haupthindernis für die Einführung sind die Kosten. SiC-Leistungsbauelemente sind etwa sechs- bis neunmal teurer als ihre Silizium-Pendants. Derzeit beträgt die gängige SiC-Wafergröße sechs Zoll, was die vorherige Herstellung von Si-Substraten erfordert. Die mit diesen Wafern verbundene höhere Fehlerquote trägt zu ihren erhöhten Kosten bei und schränkt ihre Preisvorteile ein.

Obwohl einige Anstrengungen zur Entwicklung von SiC-IGBTs unternommen wurden, sind ihre Preise für die meisten Marktanwendungen im Allgemeinen unattraktiv. In Branchen, in denen die Kosten im Vordergrund stehen, sind die technologischen Vorteile von SiC möglicherweise nicht so überzeugend wie die Kostenvorteile herkömmlicher Siliziumgeräte. In Branchen wie der Automobilindustrie, die weniger preissensibel sind, haben SiC-MOSFET-Anwendungen jedoch weitere Fortschritte gemacht. Dennoch bieten SiC-MOSFETs in bestimmten Bereichen tatsächlich Leistungsvorteile gegenüber Si-IGBTs. Auf absehbare Zeit wird erwartet, dass beide Technologien nebeneinander existieren, obwohl der derzeitige Mangel an Marktanreizen oder technischer Nachfrage die Entwicklung leistungsstärkerer SiC-IGBTs einschränkt.

In Zukunft,Siliziumkarbid (SiC)Es wird erwartet, dass Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) hauptsächlich in leistungselektronischen Transformatoren (PETs) zum Einsatz kommen. PETs sind im Bereich der Stromumwandlungstechnologie von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Mittel- und Hochspannungsanwendungen, einschließlich des Aufbaus intelligenter Netze, der Energie-Internet-Integration, der dezentralen Integration erneuerbarer Energien und der Traktionswechselrichter für Elektrolokomotiven. Sie haben aufgrund ihrer hervorragenden Steuerbarkeit, hohen Systemkompatibilität und überlegenen Leistung bei der Stromqualität weithin Anerkennung gefunden.

Die herkömmliche PET-Technologie steht jedoch vor mehreren Herausforderungen, darunter eine geringe Umwandlungseffizienz, Schwierigkeiten bei der Verbesserung der Leistungsdichte, hohe Kosten und unzureichende Zuverlässigkeit. Viele dieser Probleme sind auf die Spannungswiderstandsbeschränkungen von Leistungshalbleiterbauelementen zurückzuführen, die den Einsatz komplexer mehrstufiger Reihenstrukturen in Hochspannungsanwendungen (z. B. bei Spannungen nahe oder über 10 kV) erforderlich machen. Diese Komplexität führt zu einer erhöhten Anzahl von Leistungskomponenten, Energiespeicherelementen und Induktoren.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, untersucht die Branche aktiv die Einführung von Hochleistungshalbleitermaterialien, insbesondere SiC-IGBTs. Als Halbleitermaterial mit großer Bandlücke der dritten Generation erfüllt SiC aufgrund seiner bemerkenswert hohen elektrischen Feldstärke beim Durchbruch, der großen Bandlücke, der schnellen Elektronensättigungsmigrationsrate und der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit die Anforderungen für Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen. SiC-IGBTs haben dank ihrer überlegenen Leitungseigenschaften, ultraschnellen Schaltgeschwindigkeiten und ihres großen sicheren Betriebsbereichs bereits außergewöhnliche Leistungen im Mittel- und Hochspannungsbereich (einschließlich, aber nicht beschränkt auf 10 kV und darunter) im Bereich der Leistungselektronik unter Beweis gestellt.

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