실리콘 카바이드 MOSFET: SiC가 전력 전자제품에서 실리콘을 대체하는 이유

A 실리콘 카바이드 MOSFET 는 실리콘 대신 4H-SiC 웨이퍼에 구축된 전력장 효과 트랜지스터이므로 훨씬 얇은 층에서 수백에서 수천 볼트를 차단하고 더 빠르게 전환하며 실리콘 MOSFET 보다 더 뜨겁게 실행됩니다. 그 단일 재료 교환은 SiC MOSFET 이 EV 인버터 및 고주파 전원 공급 장치의 실리콘 IGBT 를 대체하는 특이한 각도에서 나온 것입니다: DONGHE 는 다이아몬드를 만듭니다 SiC 웨이퍼 절단 톱 이러한 장치가 제작된 웨이퍼를 절단하는 기계이므로 마지막 섹션은 구매한 칩을 원래 있던 부울에 연결합니다.

실리콘 카바이드 MOSFET이란 무엇입니까?

실리콘 카바이드 MOSFET 은 기존의 실리콘 대신 실리콘 카바이드 (SiC) 를 반도체 소재로 사용하는 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터입니다. a 단극 장치: 전류는 저장된 소수 전하 테일 없이 다수 캐리어(전자)만을 통해 흐르기 때문에 깨끗하고 빠르게 꺼집니다. 기능적으로는 게이트 전압 제어인 게이트 전압이 드레인-소스 채널을 제어하지만 SiC 결정을 사용하면 동일한 다이가 훨씬 더 높은 전압을 차단할 수 있습니다.

왜 정의에 신경을 쓰나요? SiC MOSFET 을 드롭인 실리콘 부품처럼 취급하는 것이 전력 설계에서 가장 비싼 초보자 실수이기 때문입니다: 절대 사용하지 않는 전압 및 온도 헤드룸을 차단하는 데 비용을 지불하거나 잘못된 게이트 전압으로 구동하여 실리콘 등가물이 몇 배나 드는 장치를 요리하는 데 라벨이 중요합니다.

세 가지 구조적 사실이 실리콘 MOSFET 과 분리됩니다. 첫째,기판 및 드리프트 영역은 순수한 실리콘이 아닌 실리콘과 탄소의 화합물 인 4H-SiC 입니다. 둘째,SiC 는 훨씬 높은 전기장을 허용하기 때문에 전압 차단 드리프트 층은 주어진 등급에 대해 훨씬 얇아서 내성이 낮아집니다. 셋째,대부분의 고전류 SiC MOSFET 은 네 번째 핀 인 켈빈 소스를 추가하여 게이트 드라이버 리턴을 전원 경로에서 분리합니다. 업스트림 그림을 원한다면 입문서를 참조하십시오 실리콘 웨이퍼 물자 그리고 더 넓습니다 반도체 웨이퍼의 종류 이러한 장치를 만드는 데 사용됩니다.

자료: Wide-Bandgap SiC가 규칙을 변경하는 이유

재료 물리학을 건너뛰고 이후의 모든 결정,전압 등급,게이트 드라이브,냉각은 추측으로 변합니다. 실리콘 카바이드 MOSFET 이 실리콘보다 뛰어난 성능을 발휘하게 하는 것은 회로가 아니라 재료입니다. SiC 는 광대역갭 반도체이며,뛰어난 특성은 실리콘의 대략 열 배에 달하는 임계 항복장 결과를 이라고 부릅니다 10× 고장-필드 레버: SiC는 고장나기 전에 전기장의 약 10배를 견디기 때문에 정격 전압을 차단하는 드리프트 영역은 두께가 약 10분의 1로 만들어질 수 있으며, 드리프트 영역이 얇을수록 상태 저항과 전도 손실이 극적으로 낮아집니다. 동일한 차단 전압.

*열 전도도는 소스마다 다르게 인용됩니다(일반적으로 ~3.7W/cm·K, 고순도 4H-SiC의 경우 최대 ~4.9W/cm·K); 이는 폴리타입, 도핑 및 온도에 따라 다릅니다. 기준 실리콘 임계 필드는 0.3MV/cm당 버지니아 공대 광대역 간격 장치 노트; SiC 재료 특성 SiC 전력 전자 장치에 대한 NIH/NCBI 검토.

탄화규소의 밴드갭은 무엇입니까?

4H-SiC의 밴드갭은 약 3.26eV로 실리콘의 ~1.1eV의 거의 3배입니다. 밴드갭은 전자가 전도에 뛰어들기 위해 필요한 에너지이며, 갭이 넓을수록 열적으로 여기되는 캐리어가 훨씬 적어지기 때문에 고온 작동 중에 누출 전류가 낮게 유지됩니다. 이것이 바로 탄화규소 MOSFET이 실리콘 장치가 고장날 경우 전압을 계속 차단하는 이유입니다.

그 넓은 간격은 또한 SiC 의 바디 다이오드가 높은 순방향 전압 강하를 갖는 이유이며,우리가 아래로 돌아 오는 트레이드 오프입니다. 중요한 것은 SiC 가 아닙니다 전자 이동성에 승리; 그 벌크 이동성은 실제로 실리콘보다 낮으며 대신 전계 강도, 열전도도 및 포화 속도에서 이점이 있습니다.

SiC MOSFET 대 실리콘 MOSFET: 이득이 나오는 곳

실리콘 MOSFET 에 대하여,SiC MOSFET 는 4 개의 측정가능한 전선에 승리합니다: 고전압에 낮은 온 저항,더 낮은 엇바꾸기 손실,훨씬 열 헤드룸,더 작은 수동적인 성분. 에너지성의 미국 부는 SiC 변환장치 도달을 측정했습니다 99% 효율성 대 96% 비교 실리콘 인버터, 약 3% 에너지 절약 동일한 역할을 수행합니다 전력 전자용 광역 밴드갭 반도체 보고서.

그 마지막 행은 구매자들이 거꾸로 받는 부분입니다. 우리는 그것을 the 장치-시스템-비용 반전: SiC 다이는 거의 항상 실리콘 부품보다 비용이 많이 들지만 올바른 설계에서는 고전압, 높은 스위칭 주파수, 효율성 중심, 시스템 스위칭 속도가 빠를수록 변압기,인덕터 및 커패시터가 수축되고 효율성이 높을수록 방열판이 절단되므로 비용이 적게 들 수 있습니다. 이는 자동이 아닌 조건부입니다. 저전압,비용에 민감한 48 V 설계에서는 반전이 나타나지 않고 실리콘 부품이 승리한다는 슬로건이 아닌 설계 질문으로 취급합니다.

SiC가 실리콘보다 나은 이유는 무엇입니까?

SiC는 그것의 넓은 밴드갭 및 ~10× 긴요한 분야가 그것의 더 높은 열 전도도가 열을 멀리 나르는 그러나, 더 얇은 장치가 더 낮은 저항을 가진 동일한 전압을 막는 시켰기 때문에 고전압, 고주파 힘 엇바꾸기를 위한 실리콘 보다는 더 낫습니다, 그 뜻은 더 낮은 전도 및 엇바꾸기 손실, 더 작은 냉각 및 자기, 및 실리콘 근거한 MOSFET가 일치할 수 없는 고열 가동을 함께 의미합니다.

한 가지 정직한주의 사항: 저전압 또는 비용 중심 설계의 경우 실리콘은 여전히 합리적인 선택이며 SiC 는 전압,주파수 또는 효율성 목표가 요구 될 때만 프리미엄을 얻습니다. 4H-SiC DMOSFET 에 대한 동료 검토 작업은이 필드 및 열 이점을 정확하게 문서화합니다.

SiC MOSFET 대 GaN 대 실리콘 IGBT

“어떤 광대역 갭 장치를 사용해야 하는가”에 대한 정직한 대답은 전압과 주파수에 의존하며 모든 곳에서 기술이 승리하지 못한다는 것입니다. 미국 국립 연구소 등 Sandia 의 전력-전자 프로그램 sic 와 GaN 장치를 병렬로 모두 개발하면 두 가지가 경쟁자가 아닌 보완적이라는 신호입니다. 질화 갈륨 (GaN) 은 저전압 및 매우 높은 주파수에서 리드; 실리콘 카바이드 MOSFET 은 중-고-전압,고-전력 대역을 소유; 그리고 실리콘 IGBT 는 스위칭 속도가 덜 중요한 비용에 민감한 고전압 설계에서 살아남습니다.

IGBT와 SiC MOSFET의 차이점은 무엇입니까?

그것의 핵심에,IGBT 는 SiC MOSFET 가 단극 인 동안 양극 장치입니다. 격리한 문 양극 트랜지스터는 소수 운반대를 주사해,높은 현재에 강한 전도를 주고 그러나 에너지를 낭비하고 스위칭 주파수를 모자를 씌우는 끌기에 “꼬리 현재”를 남겨두는 실리콘 탄화물 MOSFET 는 전자만으로 지휘합니다,그래서 꼬리 현재가 없고 몇 시간 빨리 전환합니다.

실제로 엔지니어들은 더 높은 스위칭 주파수,더 작은 자기 및 더 나은 효율성을 원할 때 실리콘 IGBT 모듈을 SiC MOSFET 으로 교체하고 스위칭 속도가 중요하지 않고 초기 비용 규칙을 유지하는 IGBT 를 유지합니다. GaN 에 관해서는 전력 전자 공학 엔지니어들은 일반적으로 선택이 “SiC 가 항상 승리”하는 것은 아니라고보고합니다: 매우 높은 주파수에서 650 V 이하 GaN 이 더 나은 스위치가 될 수 있습니다.

팀은이 정확한 불일치에 몇 달을 잃습니다. “와이드 밴드 갭”이 기본 답이 되었기 때문에 1200 V SiC MOSFET 에 도달하는 고속 충전기 그룹을 상상해보십시오. 400 V 버스와 300 kHz 목표가 더 빠르게 전환되고 더 시원하게 실행되고 비용이 적게 드는 650 V GaN 스테이지에 적합한 교과서 였을 때 그들은 잘못된 이유로 올바른 가족을 선택했으며 대형 방열판으로 가득 찬 벤치가 비용을 지불했습니다. 장치를 버스 전압 및 주파수에 먼저 일치 시키십시오; 명성 둘째.

전압 등급 및 애플리케이션과 일치

틀린 전압 종류를 선택하고 당신은 두번 지불합니다: 너무 낮은 것을 선택하고 1 개의 일시적인 큰 파도는 부속을 파괴하고, 너무 높은 것을 선택하고 당신은 위에 저항과 돈 당신이 결코 재기하지 않는 좌초시킵니다. SiC MOSFETs는 이산 전압 종류에서 판매되고, 하나를 선택하는 것은 장치가 아닌 당신의 DC 버스에서 시작합니다. 엄지 손가락의 규칙으로, derate: 차단 등급 대략 1.5–2×를 쑤시십시오 당신의 명목상 버스 이렇게 transients는 그것의 한계를 지나서 장치를 결코 밀지 않습니다. 작동되는 보기를 가지고 가십시오: 800 V EV 건전지 버스, 대략 50–60% 장치 이용에 derated, a에 착지합니다 1200V SiC MOSFET. 한편 400V 버스는 650V 부품에 매핑됩니다; 1500V 태양광 스트링 또는 레일 링크를 사용하면 1700V 또는 3.3kV로 이동합니다.

5등급 전압 애플리케이션 매트릭스

이 매트릭스를 사용하여 일반적으로 사용되는 5가지 SiC MOSFET 전압 클래스에 걸쳐 버스 전압에서 장치 클래스 및 동반 다이오드로 이동합니다.

전력 전자 팀은 일상적으로 경감 교훈을 어려운 방법으로 배웁니다. 장치 당 몇 달러를 절약하기 위해 1100V DC 링크에 1200V 부품을 사양하는 드라이브 엔지니어를 상상해보십시오: 벤치에서는 잘 작동하지만 첫 번째 하드 재생 이벤트는 등급을 지나 전압 스파이크를 던지고 경고하는 데이터시트 라인없이 반 다리 다리 전체를 태우고 흡연합니다. 그들의 수정은 아래 매트릭스의 열이지 새로운 장치가 아닙니다.

여기에는 두 개의 다이오드 노트가 중요합니다.

SiC MOSFET 에는 고유 바디 다이오드가 있지만 ~ 4 V 순방향 전압 강하는 역전도에서 에너지를 낭비하므로 많은 설계에서 역회복 전하가 거의 0 에 가까운 병렬 SiC 쇼트키 다이오드를 추가합니다. 또한 더 높은 장치 등급은 동일한 공칭 전압의 IGBT 보다 더 많은 과도 헤드룸을 제공하므로 SiC MOSFET 은 모든 실제 전력 시스템에 존재하는 서지를 허용합니다. 이러한 클래스 뒤에있는 고전압 DMOSFET 구조는 에 문서화되어 있습니다 4H-SiC 전력 변환 장치에 IEEE 기록.

실리콘 카바이드 MOSFET이 사용되는 곳

SiC MOSFETs 는 효율성,전력 밀도 또는 작동 온도가 압력을 받는 모든 곳에 나타납니다. 각 응용 프로그램은 명성이 아닌 구체적이고 측정 가능한 이유로 SiC 를 선택하며 효율성 사례는 DOE 를 포함한 미국 국립 연구소에 의해 문서화됩니다 비용 경쟁력 있는 SiC 전력 전자 장치에 대한 연구입니다.

구체적인 사례를 생각해 보십시오: 800 V 아키텍처를 위해 400 kW 트랙션 인버터를 재구축하는 자동차 팀이 6 개의 실리콘 IGBT 모듈을 1200 V SiC MOSFET 모듈로 교체합니다. 스위칭 속도가 빨라지면 DC 링크 커패시턴스와 냉각 루프가 줄어들고 ~3% 효율 이득으로 실제 주행 거리가 추가되며 인버터는 무게를 줄입니다. Tesla 가 모델 3 인버터에 SiC MOSFET 을 채택했을 때와 동일한 거래입니다. 트랙션 인버터 외에도 주요 대상은 다음과 같습니다:

• ✔온보드 충전기 및 고속 충전더 높은 효율과 800V 초고속 충전.
• ✔태양광 및 에너지 저장 인버터LLC 및 하프 브리지 토폴로지의 고주파, 고효율 전력 변환.
• ✔산업용 모터 드라이브필터가 작고 보조 전력 손실이 적으며 온도에서 신뢰성이 높습니다.
• ✔데이터센터/AI 전원 공급 장치랙당 전력 밀도는 SiC 전력 장치 및 전력 모듈로의 이동을 촉진합니다.

SiC MOSFET을 사용한 설계: 게이트 드라이브 및 레이아웃 함정

좋은 실리콘 카바이드 MOSFET 을 망치는 가장 빠른 방법은 실리콘 부품처럼 구동하는 것입니다. 이러한 장치에는 맞춤형 게이트 드라이브와 깔끔한 레이아웃이 필요합니다; 아래의 규칙은 유니버설 상수가 아닌 디자인 확인 항목으로 항상 특정 데이터 시트를 따릅니다.

“대부분의 실리콘 MOSFET 는 게이트와 소스 사이에서 약 8 V ~ 10 V 의 낮은 VDS 채도를 달성합니다. 그러나 SiC MOSFET 은 일반적으로 낮은 VDS 채도를 달성하기 위해 15 V ~ 20 V VGS 가 필요합니다.”

Ian Poole, 전자 엔지니어이자 작가, 전자 노트

한 가지 고전적인 필드 실패는 이것이 중요한 이유를 보여줍니다: 팀은 SiC 하프 브리지에서 0V / +12V 실리콘 IGBT 게이트 드라이버를 재사용하고 스위칭 노드의 빠른 dv/dt 가장자리가 게이트 드레인 커패시턴스를 통해 커플링되어 오프 상태 장치를 임계값 이상으로 밀어냅니다. 두 트랜지스터가 동시에 전도됩니다. 다리와 증상을 통해 슛스루 전류 스파이크가 발생하는 것은 데이터시트의 경고가 아닌 벤치의 초토화 모듈입니다. 세 가지 실수가 가장 자주 나타납니다: 전압 창과 전류가 SiC에 대해 잘못된 IGBT 게이트 드라이버 재사용; 잘못된 턴온을 유발하는 음의 바이어스 대신 게이트를 0V 오프 상태로 유지하는 것; 소스 인덕턴스를 무시하고 날카로운 dv/dt 커플을 게이트로 다시 연결합니다. SiC의 게이트 산화물도 존중받을 가치가 있습니다. 독립적입니다 게이트 산화물 분해 및 단락 견고성에 대한 신뢰성 검토 마진과 자격이 중요한 이유를 보여주세요.

SiC Boule에서 장치 준비 웨이퍼까지: 기초 대부분의 가이드는 건너뜁니다

모든 실리콘 카바이드 MOSFET 은 웨이퍼로 슬라이스해야하는 SiC 부울로 시작하며,그것이 우리 가게가 살고있는 곳입니다. 10,000+ 절단 케이스와 300+ 글로벌 클라이언트를 갖춘 와이어 톱 OEM 으로 SiC,사파이어 및 실리콘을 절단하며 SiC 는 상업적으로 슬라이스 된 가장 단단한 재료 중 하나입니다. 다운스트림 장치 가이드가 거의 언급하지 않는 것은 웨이퍼의 슬라이스 품질이 뒤따르는 모든 것에 천장을 설정한다는 것입니다.

우리 자신의 절단 바닥에서 말뚝은 콘크리트입니다: 150 mm SiC 불은 수천 달러의 크리스탈을 나타내며 와이어 톱에서 높은 총 두께 변화가있는 경우 고객은 평평하고 손상없는 표면에 도달하기 위해 모든 웨이퍼를 더 많이 갈아서 유료 재료를 슬러리로 전환해야합니다. 그래서 우리는 와이어 장력,공급 속도 및 와이어 마모를 기계 설정뿐만 아니라 항복 레버로 취급합니다. 그 체인 런 불 → 슬라이스 → 그라인드/폴란드어 → 에피 택시 → 장치 제작. 멀티 와이어 다이아몬드 톱이 불 → 커프를 절단하면 커프,총 두께 변화 (TTV) 및 지하 손상 층이 남습니다. 높은 TTV 또는 깊은 손상 층은 평평하고 결함이없는 표면을 복구하기 위해 더 많은 연삭 및 연마를 강요하며 커프 및 연삭 스톡으로 제거 된 재료는 실리콘 카바이드에 대해 지불했지만 결코 다이로 출시되지 않습니다. 에 대한 출판 작업 단결정 SiC의 고정 연마 다이아몬드 와이어 슬라이싱 모수를 저미는 것이 어떻게 지하 손상을 모는 지 확인합니다. 장치 측을 위해 이것은 더 청결한 조각을,웨이퍼 당 더 사용 가능한 거푸집 의미합니다; 구매자를 위해 그것은 기질 질이 각주가 아니라 진짜 비용 운전사다는 것을 의미합니다. 우리는 우리의 가이드에 있는 하류 단계로 더 깊게 들어갑니다 웨이퍼 엷게 하기, 그리고 절단기 자체에 들어갑니다 SiC 웨이퍼 절단 톱 페이지. 그 같은 물리학은 평야에 적용됩니다 탄화 규소, 를, 그리고 더 넓은 곳에 연결한다 반도체 제조공정.

업계 전망: SiC MOSFET 채택을 주도하는 요소

실리콘 카바이드 MOSFET 채택의 결정적인 힘은 헤드 라인 시장 번호가 아니라 150mm 에서 200mm SiC 웨이퍼로의 이동입니다. 웨이퍼 직경을 높이면 대략적으로 수율이 높아집니다 웨이퍼 당 2.2× 더 많은 다이 기하학적인 측면에서, 이는 SiC를 주류 자동차 인버터에서 실리콘과 최종적으로 경쟁하게 만드는 공급측 레버입니다. 하나의 한정자 문제: 그 2.2×는 다이입니다 잠재적인, 보장된 비용 절감이 아닌 실현된 절감 효과는 수율,엣지 배제,웨이퍼 보우 및 슬라이싱으로 인한 손상에 따라 달라지며,바로 웨이퍼 가공이 유지되는 지점입니다. 자동차 공급업체 ZF 로 구축된 Wolfspeed 의 독일 소재 200mm SiC 팹은 업계가 더 큰 포맷을 약속하고 있다는 신호 중 하나입니다.

두 가지 교대근무가 더 지켜볼 가치가 있습니다: SiC MOSFET,게이트 드라이버 및 열 관리를 하나의 패키지로 결합한 통합 전력 모듈,광대역갭 부품에 대한 자동차 자격 기준 확장. 상황에 맞게 시장 추적기는 SiC 전원 장치 시장이 2030 년대를 통해 강력하게 성장할 것으로 예상하지만 구매자는 단일 CAGR 수치가 아닌 웨이퍼 경제성 및 자격 타임라인을 중심으로 계획을 세워야 합니다. 업스트림 절단 단계를 비교해 보세요 실리콘 웨이퍼 절단 와이어 톱 200mm SiC가 슬라이싱 정밀도에 대한 기준을 높이는 이유를 보려면 페이지를 참조하세요.

자주 묻는 질문