كربيد السيليكون MOSFET: لماذا يحل SiC محل السيليكون في إلكترونيات الطاقة

A كربيد السيليكون MOSFET هو ترانزستور ذو تأثير مجال طاقة مبني على رقاقة 4H-SiC بدلاً من السيليكون، لذا فهو يحجب مئات إلى آلاف الفولتات عبر طبقة أرق بكثير، ويتحول بشكل أسرع، ويعمل بشكل أكثر سخونة من MOSFET السيليكون. هذا المبادلة الفردية للمواد هو السبب وراء قيام SiC MOSFETs بإزاحة IGBTs السيليكونية في محولات EV وإمدادات الطاقة عالية التردد. نأتي إلى هذا من زاوية غير عادية: تقوم DONGHE ببناء الماس منشار قطع رقاقة SiC الآلات التي تقطع الرقائق التي يتم تصنيع هذه الأجهزة عليها، لذا فإن القسم الأخير يربط الشريحة التي تشتريها مرة أخرى بالكرة التي بدأت بها.

ما هو MOSFET كربيد السيليكون؟

Mosfet من كربيد السيليكون عبارة عن ترانزستور ذو تأثير ميداني لأشباه الموصلات وأكسيد المعدن يستخدم كربيد السيليكون (SiC) كمادة شبه موصلة بدلاً من السيليكون التقليدي. انها أ أحادي القطب الجهاز: يتدفق التيار عبر حاملات الأغلبية (الإلكترونات) فقط، مع عدم وجود ذيل شحن أقلية مخزن، لذلك يتم إيقاف تشغيله بشكل نظيف وسريع. من الناحية الوظيفية، فإنه يتحول مثل أي طاقة MOSFET، حيث يتحكم جهد البوابة في قناة التصريف إلى المصدر، لكن بلورة SiC تسمح لنفس القالب بإيقاف الجهد العالي بكثير.

لماذا الاهتمام بالتعريف؟ لأن التعامل مع SiC MOSFET مثل جزء السيليكون المنسدلة هو أغلى خطأ للمبتدئين في تصميم الطاقة: إما أن تدفع مقابل حجب الجهد ودرجة الحرارة التي لا تستخدمها أبدًا، أو تقودها بجهد بوابة خاطئ وتطبخ جهازًا يكلف عدة أضعاف ما يعادله السيليكون. الملصقات مهمة هنا.

ثلاث حقائق هيكلية تفصلها عن MOSFET السيليكون. أولاً، الركيزة ومنطقة الانجراف هي 4H-SiC، وهو مركب من السيليكون والكربون بدلاً من السيليكون النقي. ثانيًا، نظرًا لأن SiC يتحمل مجالًا كهربائيًا أعلى بكثير، فإن طبقة الانجراف التي تحجب الجهد تكون أرق بكثير بالنسبة لتصنيف معين، مما يقلل من المقاومة. ثالثًا، تضيف معظم SiC MOSFETs ذات التيار العالي دبوسًا رابعًا، وهو مصدر كلفن، لفصل عودة سائق البوابة عن مسار الطاقة. إذا كنت تريد الصورة الأولية، راجع التمهيدي الخاص بنا مادة رقاقة السيليكون والأوسع أنواع رقائق أشباه الموصلات تستخدم لصنع هذه الأجهزة.

المادة: لماذا يغير SiC ذو فجوة النطاق الواسعة القواعد

تخطي فيزياء المواد وكل قرار لاحق، فئة الجهد، محرك البوابة، التبريد، يتحول إلى تخمين. ما يجعل MOSFET من كربيد السيليكون يتفوق على السيليكون هو المادة، وليس الدائرة. SiC هو شبه موصل ذو فجوة نطاق واسعة، وخاصيته البارزة هي مجال الانهيار الحرج ما يقرب من عشرة أضعاف السيليكون. نحن نسمي النتيجة 10× رافعة مجال الانهيار: نظرًا لأن SiC يتحمل حوالي عشرة أضعاف المجال الكهربائي قبل أن ينهار، فإن منطقة الانجراف التي تحجب الجهد المقنن يمكن أن تكون سميكة بحوالي عُشر سمكها، كما أن منطقة الانجراف الأرق تعني انخفاضًا كبيرًا في المقاومة على الحالة وفقدان التوصيل عند نفس الجهد الحجب.

* يتم اقتباس الموصلية الحرارية بشكل مختلف عبر المصادر (عادة ~ 3.7 واط/سم · K، حتى ~ 4.9 واط/سم · K للنقاء العالي 4H-SiC)؛ ويختلف باختلاف النوع المتعدد والمنشطات ودرجة الحرارة. مجال السيليكون الأساسي الحرج يبلغ 0.3 ميجا فولت/سم لكل ملاحظات جهاز فجوة النطاق الواسعة في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا; ؛ خصائص المواد SiC لكل مراجعة المعاهد الوطنية للصحة/NCBI لإلكترونيات الطاقة SiC.

ما هي فجوة نطاق كربيد السيليكون؟

تبلغ فجوة نطاق 4H-SiC حوالي 3.26 فولت، أي ما يقرب من ثلاثة أضعاف السيليكون ~ 1.1 فولت. فجوة النطاق هي الطاقة التي يحتاجها الإلكترون للقفز إلى التوصيل، والفجوة الأوسع تعني أن عددًا أقل بكثير من الموجات الحاملة متحمسة حراريًا، لذلك يظل تيار التسرب منخفضًا أثناء التشغيل في درجات الحرارة العالية، ولهذا السبب يستمر MOSFET من كربيد السيليكون في حجب الجهد حيث قد يفشل جهاز السيليكون.

هذه الفجوة الواسعة هي أيضًا السبب وراء انخفاض الجهد الأمامي العالي لصمام SiC، وهي مقايضة نعود إليها أدناه. الأهم من ذلك، أن SiC يفعل ذلك لا الفوز على حركة الإلكترون؛ إن حركته السائبة هي في الواقع أقل من حركة السيليكون، وتأتي الميزة من شدة المجال والتوصيل الحراري وسرعة التشبع بدلاً من ذلك.

SiC MOSFET مقابل Silicon MOSFET: من أين تأتي المكاسب

مقابل MOSFET السيليكون، يفوز SiC MOSFET على أربع جبهات قابلة للقياس: مقاومة أقل عند الجهد العالي، وفقدان تبديل أقل، ومساحة رأس حرارية أكبر بكثير، ومكونات سلبية أصغر. قامت وزارة الطاقة الأمريكية بقياس وصول عاكس SiC كفاءة 99% مقابل 96% لعاكس سيليكون مماثل، مما يوفر الطاقة بمقدار 3% تقريبًا في نفس الدور، وفقا لها تقرير أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة لإلكترونيات الطاقة.

هذا الصف الأخير هو الجزء الذي يعود إليه المشترون. نحن نسميها انعكاس تكلفة الجهاز إلى النظام: يكلف قالب SiC دائمًا أكثر من جزء من السيليكون، ولكن في التصميم الصحيح، الجهد العالي، تردد التبديل العالي، القائم على الكفاءة، فإن نظام يمكن أن تكون تكلفتها أقل لأن التبديل الأسرع يؤدي إلى تقليص المحول والمحاثات والمكثفات، كما أن الكفاءة الأعلى تقطع المبدد الحراري. هذا مشروط وليس تلقائي. في تصميم الجهد المنخفض والحساس للتكلفة 48 فولت، لا يظهر الانقلاب ويفوز جزء السيليكون. تعامل معه كسؤال تصميمي، وليس شعارًا.

لماذا يعتبر SiC أفضل من السيليكون؟

يعد SiC أفضل من السيليكون لتبديل الطاقة عالي الجهد والتردد لأن فجوة النطاق الواسعة والمجال الحرج ~ 10× يسمح لجهاز أرق بحجب نفس الجهد بمقاومة أقل، في حين أن موصليته الحرارية الأعلى تحمل الحرارة بعيدًا. معًا، هذا يعني انخفاض التوصيل وفقدان التبديل، وتبريد ومغناطيسات أصغر، وتشغيل درجة حرارة عالية لا يمكن لـ MOSFET القائم على السيليكون أن يتطابق.

تحذير صادق واحد: بالنسبة للتصميمات ذات الجهد المنخفض أو المدفوعة بالتكلفة، لا يزال السيليكون هو الخيار العقلاني، ولا يكسب SiC علاوة إلا عندما تكون أهداف الجهد أو التردد أو الكفاءة مطلوبة. يوثق العمل الذي راجعه النظراء على 4H-SiC DMOSFETs هذه الميزة الميدانية والحرارية بالضبط.

SiC MOSFET vs GaN vs Silicon IGBT

الإجابة الصادقة على “، وهو جهاز ذو فجوة نطاق واسعة يجب أن أستخدمه في نطاق واسع هو أنه يعتمد على الجهد والتردد، ولا توجد تقنية تفوز في كل مكان. المختبرات الوطنية الأمريكية مثل برنامج سانديا للإلكترونيات الكهربائية تطوير كل من أجهزة SiC وGaN بالتوازي، وهي علامة على أن الاثنين متكاملان وليسا متنافسين. نيتريد الغاليوم (GaN) يؤدي بجهد منخفض وتردد عالي جدًا؛ يمتلك MOSFET من كربيد السيليكون نطاقًا عالي الطاقة من الجهد المتوسط إلى العالي؛ ويبقى السيليكون IGBT في تصميمات الجهد العالي الحساسة للتكلفة حيث تكون سرعة التبديل أقل أهمية.

ما الفرق بين IGBT وSiC MOSFET؟

في جوهره، IGBT هو جهاز ثنائي القطب في حين أن SiC MOSFET أحادي القطب. يقوم الترانزستور ثنائي القطب ذو البوابة المعزولة بحقن حاملات الأقلية، مما يوفر توصيلًا قويًا عند التيار العالي ولكنه يترك تيارًا مزدوج الذيل عند إيقاف التشغيل مما يهدر الطاقة ويغطي تردد التبديل. يوصل MOSFET من كربيد السيليكون بالإلكترونات فقط، لذلك ليس له تيار ذيل ويتحول بشكل أسرع عدة مرات.

من الناحية العملية، يستبدل المهندسون وحدات IGBT المصنوعة من السيليكون بـ SiC MOSFETs عندما يريدون ترددات تحويل أعلى ومغناطيسات أصغر وكفاءة أفضل، ويحتفظون بوحدات IGBT حيث تكون سرعة التبديل غير مهمة وقواعد التكلفة الأولية. أما بالنسبة لـ GaN، فإن مهندسي إلكترونيات الطاقة عادةً ما يذكرون أن الاختيار ليس “SiC يفوز دائمًا بـ”: أقل من 650 فولت عند التردد العالي جدًا، يمكن أن يكون GaN هو المفتاح الأفضل.

تخسر الفرق أشهرًا بسبب عدم التطابق الدقيق هذا. تصور مجموعة شاحن سريع تصل إلى 1200 فولت SiC MOSFET لأن فجوة النطاق الواسعة “ أصبحت الإجابة الافتراضية، عندما كان ناقل 400 فولت وهدف 300 كيلو هرتز كتابًا دراسيًا مناسبًا لمرحلة GaN 650 فولت والتي كان من الممكن أن تتحول بشكل أسرع، وتعمل بشكل أكثر برودة وتكلفة أقل. لقد اختاروا العائلة المناسبة لسبب خاطئ، وتم دفع ثمن مقعد مليء بمبددات الحرارة كبيرة الحجم. مطابقة الجهاز مع جهد الناقل وتردده أولاً؛ السمعة الثانية.

فئات الجهد ومطابقتها لتطبيقك

اختر فئة الجهد الخاطئة وستدفع مرتين: اختر منخفضًا جدًا، ثم تؤدي زيادة عابرة واحدة إلى تدمير الجزء، واختر مرتفعًا جدًا وستحصل على مقاومة وأموال لا يمكنك استردادها أبدًا. تُباع SiC MOSFETs في فئات جهد منفصلة، ويبدأ اختيار واحدة من ناقل التيار المستمر الخاص بك، وليس الجهاز. كقاعدة عامة، قم بإلغاء تحديد: اختر تصنيف حظر يبلغ حوالي 1.5 بوصة 2× ناقلك الاسمي، لذا لا يدفع العابرون الجهاز أبدًا إلى ما هو أبعد من الحد المسموح به. خذ مثالًا عمليًا: ناقل بطارية 800 فولت EV، تم تخفيضه إلى حوالي 50 استخدام جهاز 60%، يهبط على أ 1200 فولت سي سي موسفيت. وفي الوقت نفسه، يتم تعيين ناقل 400 فولت إلى جزء 650 فولت؛ تنقلك سلسلة شمسية أو وصلة سكك حديدية بقدرة 1500 فولت إلى 1700 فولت أو 3.3 كيلو فولت.

مصفوفة تطبيق الجهد 5 فئات

استخدم هذه المصفوفة للمشي من جهد الناقل إلى فئة الجهاز والصمام الثنائي المصاحب له عبر فئات جهد SiC MOSFET الخمس شائعة الاستخدام.

تتعلم فرق إلكترونيات الطاقة بشكل روتيني الدرس المخفف بالطريقة الصعبة. تصور مهندس محرك الأقراص الذي يحدد جزءًا بجهد 1200 فولت لوصلة تيار مستمر بجهد 1100 فولت لتوفير بضعة دولارات لكل جهاز: على المقعد يعمل بشكل جيد، لكن أول حدث تجديد قوي يلقي ارتفاعًا في الجهد يتجاوز التصنيف ويخرج نصف جسر كامل الساق، المحروقة والمدخنة، مع عدم وجود خط ورقة بيانات يحذرهم. كان إصلاحهم عبارة عن عمود في المصفوفة أدناه، وليس جهازًا جديدًا.

هناك ملاحظتان للصمام الثنائي مهمتان هنا.

يحتوي SiC MOSFET على صمام ثنائي جوهري للجسم، لكن انخفاض الجهد الأمامي ~ 4 فولت يهدر الطاقة في التوصيل العكسي، لذلك تضيف العديد من التصميمات صمام ثنائي SiC Schottky متوازي مع شحنة استرداد عكسي قريبة من الصفر. يمنحك تصنيف الجهاز الأعلى أيضًا مساحة رأس عابرة أكثر من IGBT بنفس الجهد الاسمي، ولهذا السبب يتحمل SiC MOSFET الزيادات الموجودة في كل نظام طاقة حقيقي. تم توثيق هياكل DMOSFET ذات الجهد العالي خلف هذه الفئات في سجل IEEE على أجهزة تحويل الطاقة 4H-SiC.

حيث يتم استخدام MOSFETs كربيد السيليكون

تظهر SiC MOSFETs أينما تكون الكفاءة أو كثافة الطاقة أو درجة حرارة التشغيل تحت الضغط. يختار كل تطبيق SiC لسبب محدد وقابل للقياس، وليس من أجل الهيبة، ويتم توثيق حالة الكفاءة من قبل المختبرات الوطنية الأمريكية، بما في ذلك وزارة الطاقة العمل على إلكترونيات الطاقة SiC ذات التكلفة التنافسية.

خذ بعين الاعتبار حالة ملموسة: يقوم فريق السيارات بإعادة بناء عاكس جر بقدرة 400 كيلووات لبنية 800 فولت، حيث يقوم بتبديل ست وحدات IGBT من السيليكون لوحدات SiC MOSFET بقدرة 1200 فولت. يتيح لهم التبديل الأسرع تقليص سعة وصلة التيار المستمر وحلقة التبريد، ويضيف كسب الكفاءة ~ 3% نطاق قيادة حقيقي، ويتخلص العاكس من الوزن، وهي نفس التجارة التي قامت بها تسلا عندما اعتمدت SiC MOSFETs في عاكس الطراز 3. ما وراء عاكس الجر، الوجهات الرئيسية هي:

• ✔أجهزة شحن مدمجة وشحن سريعكفاءة أعلى وشحن فائق السرعة 800 فولت.
• ✔محولات الطاقة الشمسية وتخزين الطاقةتحويل طاقة عالي التردد وعالي الكفاءة في طوبولوجيا LLC ونصف الجسر.
• ✔محركات السيارات الصناعيةمرشحات أصغر، وفقدان أقل للطاقة المساعدة، وموثوقية أعلى عند درجة الحرارة.
• ✔مركز البيانات / مصادر طاقة الذكاء الاصطناعيتعمل كثافة الطاقة لكل حامل على الانتقال إلى أجهزة الطاقة ووحدات الطاقة SiC.

التصميم باستخدام SiC MOSFETs: محرك البوابة ومزالق التخطيط

أسرع طريقة لتدمير MOSFET الجيد من كربيد السيليكون هي قيادته مثل جزء السيليكون. تحتاج هذه الأجهزة إلى محرك بوابة مخصص وتخطيط نظيف؛ القواعد أدناه هي عناصر التحقق من التصميم، وليست ثوابت عالمية، وتتبع دائمًا ورقة البيانات المحددة.

“ تحقق معظم MOSFETs السيليكون تشبع VDS منخفض يبلغ حوالي 8 فولت إلى 10 فولت بين البوابة والمصدر. ومع ذلك، تتطلب SiC MOSFETs عادةً 15 فولت إلى 20 فولت VGS لتحقيق تشبع VDS منخفض.”

إيان بول، مهندس إلكترونيات ومؤلف, ملاحظات الالكترونيات

يوضح أحد حالات الفشل الميداني الكلاسيكي سبب أهمية ذلك: يقوم الفريق بإعادة استخدام محرك بوابة IGBT من السيليكون بقدرة 0 فولت / +12 فولت على نصف جسر SiC، وحافة dv/dt سريعة على عقدة التبديل من خلال سعة تصريف البوابة ويدفع جهاز خارج الحالة فوق عتبته، ويقوم كلا الترانزستورات بالتوصيل في وقت واحد. يرتفع تيار الإطلاق عبر الساق ويكون العرض عبارة عن وحدة محروقة على المقعد، وليس تحذيرًا في ورقة البيانات. تظهر ثلاثة أخطاء في أغلب الأحيان: إعادة استخدام محرك بوابة IGBT الذي تكون نافذة الجهد والتيار فيه خاطئة بالنسبة لـ SiC؛ إيقاف تشغيل البوابة عند 0 فولت بدلاً من التحيز السلبي، مما يدعو إلى التشغيل الخاطئ؛ وتجاهل محاثة المصدر، لذلك يعود أزواج dv/dt الحادة إلى البوابة. يستحق أكسيد بوابة SiC أيضًا الاحترام والاستقلالية مراجعات الموثوقية لتدهور أكسيد البوابة وصلابة الدائرة القصيرة أظهر سبب أهمية الهامش والمؤهلات.

من SiC Boule إلى الرقاقة الجاهزة للجهاز: الأساس يتخطى معظم المرشدين

يبدأ كل MOSFET من كربيد السيليكون على شكل كرة SiC يجب تقطيعها إلى رقائق، وهذا هو المكان الذي يعيش فيه متجرنا. باعتبارنا شركة تصنيع المعدات الأصلية التي تعمل بالمنشار السلكي مع 10000+ علبة قطع و300+ عميل عالمي، فإننا نقوم بقطع SiC والياقوت والسيليكون، وSiC هي من بين أصعب المواد المقطعة تجاريًا. نادرًا ما تذكر أدلة الأجهزة النهائية أن جودة الرقاقة المقطعة تضع سقفًا لكل ما يلي.

على أرضية القطع الخاصة بنا، تكون الأوتاد خرسانية: تمثل كرة SiC مقاس 150 مم آلاف الدولارات من الكريستال، وإذا تركت المنشار السلكي مع اختلاف كبير في السماكة الإجمالية، فيجب على العميل طحن المزيد من كل رقاقة فقط للوصول إلى سطح مسطح، سطح خالٍ من التلف، وتحويل المواد المدفوعة إلى ملاط. ولهذا السبب نتعامل مع شد الأسلاك ومعدل التغذية وتآكل الأسلاك كأذرع إنتاجية، وليس فقط إعدادات الماكينة. تلك الكرة التي تعمل بالسلسلة → الشريحة → الطحن/التلميع → التنضيد → تصنيع الجهاز. عندما يقطع منشار ماسي متعدد الأسلاك الكرة، فإنه يترك شقًا، وتباينًا إجماليًا في السُمك (TTV) وطبقة تحت السطح. تجبر طبقة TTV العالية أو طبقة الضرر العميق المزيد من الطحن والتلميع لاستعادة سطح مسطح خالٍ من العيوب، والمواد التي تمت إزالتها لأن مخزون الشق والطحن هو كربيد السيليكون الذي دفعت ثمنه ولكن لن يتم شحنه أبدًا كما يموت. العمل المنشور على تقطيع الأسلاك الماسية الكاشطة الثابتة لـ SiC أحادي البلورة يؤكد كيف تؤدي معلمات التقطيع إلى حدوث ضرر تحت السطح. بالنسبة لجانب الجهاز، يعني هذا أنه كلما كانت الشريحة أكثر نظافة، كلما كان القالب أكثر قابلية للاستخدام لكل رقاقة؛ بالنسبة للمشترين، فهذا يعني أن جودة الركيزة هي محرك التكلفة الحقيقية، وليست حاشية سفلية. نتعمق أكثر في الخطوة النهائية في دليلنا ل ترقق الرقاقة, ، وفي آلة القطع نفسها على منشار قطع رقاقة SiC صفحة. نفس الفيزياء تنطبق على عادي كربيد السيليكون, ، ويتصل على نطاق أوسع عملية تصنيع أشباه الموصلات.

توقعات الصناعة: ما الذي يدفع اعتماد SiC MOSFET

القوة الحاسمة وراء اعتماد MOSFET لكربيد السيليكون ليست رقم السوق الرئيسي، بل هي الانتقال من رقائق SiC مقاس 150 مم إلى 200 مم. زيادة قطر الرقاقة ينتج تقريبًا 2.2× المزيد من القالب لكل رقاقة من الناحية الهندسية، وهي رافعة جانب العرض التي تجعل SiC أخيرًا قادرًا على المنافسة مع السيليكون في محولات السيارات السائدة. أحد الأمور المؤهلة: أن 2.2× يموت محتمل, ، لا يضمن خفض التكلفة، ويعتمد التوفير المحقق على العائد، واستبعاد الحافة، وقوس الرقاقة، والأضرار الناجمة عن التقطيع، وهو بالضبط المكان الذي تكسب فيه معالجة الرقاقة مكانتها. يعد مصنع Wolfspeed's SiC مقاس 200 مم في ألمانيا، والذي تم بناؤه بالتعاون مع مورد السيارات ZF، إحدى الإشارات إلى أن الصناعة تلتزم بالتنسيق الأكبر.

هناك نوبتان أخريان تستحقان المشاهدة: وحدات الطاقة المتكاملة التي تجمع بين SiC MOSFET، ومحرك البوابة والإدارة الحرارية في حزمة واحدة، وتوسيع معايير تأهيل السيارات لأجزاء ذات فجوة نطاق واسعة. بالنسبة للسياق فقط، يتوقع متتبعو السوق أن ينمو سوق أجهزة الطاقة SiC بقوة خلال الثلاثينيات، ولكن يجب على المشتري التخطيط حول اقتصاديات الرقاقات والجداول الزمنية للتأهيل، وليس حول أي رقم واحد من أرقام CAGR. قارن خطوة القطع الأولية على منشار سلك قطع رقاقة السيليكون صفحة لمعرفة سبب قيام SiC مقاس 200 مم برفع الشريط عند دقة التقطيع.

الأسئلة المتداولة