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为什么不用SiC做IGBT
2020年12月02日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:408
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不知道大家有没有跟小编一样,看到Si MosfetSi IGBT、SiC Mosfet出现后,就一直在想为啥没有SiC IGBT???

首要说明SiC其实是可以做IGBT的而我们看不到的原因是:因制备成本太高,且性能“过剩”,因此在大多数应用场合都“毫无竞争力”,因此目前无存活空间,所以你就基本看不到商业化的SiC IGBT了。

如下引用一段知乎上英飞凌的说明:Si材料的Mosfet存在一个问题,即耐受电压能力高了芯片就会相应地变厚,导通损耗也就很高,所以硅材料的Mosfet一般只能做低压器件。

SiC是一种宽禁带半导体材料,可以做到很高的耐压下芯片还很薄,而现在SiC的Mosfet可以做到6500V耐压,已经能覆盖现在的IGBT耐压水平了,且Mosfet的芯片结构IGBT简单,所以目前没有必要SiC来做IGBT浪费成本。除非以后需要10kV级别的器件才有可能考虑SiC的IGBT。

接着知乎上一只硬件喵“T-BuNO3”的解释也很不错:“SiC IGBT已经有了,但是只是在高耐压开关的场合小范围内使用,例如某些换流站和牵引站,目前还没有大规模的推广碳化硅的IGBT。

我们现在的民用级别的电力电子设备多偏向低电压大电流,在这个方向上,个人觉得氮化镓半导体制成的MOSFET或IGBT可能更适合一些。

PS:在实际生产中,除了本文提到的Si及SiC,还有众多半导体材料可以供功率器件选择,根据不同的应用场景可选择不一样的材料呢,例如最近很火的快充头则是选用了氮化镓这种材料。

igbt、mosfet与BJT的区别?

上文说了几个名词,下文来补充说明一下那几个名词之间的关系。作为半导体行业的重要细分领域,功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,而功率半导体鼎鼎有名当属igbt、mosfet与BJT相对于逻辑芯片,功率半导体追赶的技术难度相对较小,国内配套的产业链也更完整。在行业属性方面,功率半导体不需要追赶摩尔定律,大多采用成熟工艺,更加倚重制程工艺、封装设计和新材料迭代,整体趋向集成化、模块化。

略去很多复杂的说明,总的来说BJT出现在MOSFET之前,而MOSFET出现在IGBT之前,这三者虽然在之前的基础上进行了改进,但并非是完全替代的关系,三者在功率器件市场都各有所长,应用领域也不完全重合。因此,在时间上可以将其看做祖孙三代的关系,但在技术、应用等方面更像是并列关系。

发展到现在,Si MOSFET主要应用于中小功率场合如电脑功率电源、家用电器等,具有门极输入阻抗高、驱动功率小、电流关断能力强、开关速度快、开关损耗小等优点。随着下游应用发展越来越快,Si MOSFET的电流能力显然已经不能满足市场需求。为了在保留Si  MOSFET优点的前提下降低器件的导通电阻,人们曾经尝试通过提高Si MOSFET衬底的掺杂浓度以降低导通电阻,但衬底掺杂的提高会降低器件的耐压,这显然不是理想的改进办法。但是如果在Si MOSFET结构的基础上引入一个双极型BJT结构,就不仅能够保留Si MOSFET原有优点,还可以通过BJT结构的少数载流子注入效应对n漂移区的电导率进行调制,从而有效降低n漂移区的电阻率,提高器件的电流能力。简单的说用人们将MOSFET与BJT结合后,制备了性能更为特别的Si IGB。在不断的改进后,目前IGBT已经能够覆盖从600V—6500V的电压范围(如用于低压下Si IGBT并没有占便宜哦 ),应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。IGBT凭借其高输入阻抗、驱动电路简单、开关损耗小等优点在庞大的功率器件世界中赢得了自己的一片领域。在工业领域,使用IGBT的变速驱动器越来越多地取代工业应用中的传统电机:其可以显著提高能效,精确控制工业电机,节约约20—30%的能源消耗。

而后来发展起来的SiC mosfet 与 Si IGBT 的应用近乎重合,但SiC元件由于具备高导热特性,加上材料具有宽能隙特性而能耐高压与承受大电流,更符合高温作业应用与高能效利用的要求,于是众家观点都统一认为,随着碳化硅器件工艺技术的成熟,SiC成本下降是必然的趋势,因此SiC mosfet将会慢慢蚕食掉 Si IGBT,只是时间长短而已。

哦,上文貌似忘记给BJT说明一下了。由于BJT 是双极性器件,在工作过程中,器件结构漂移区中注入载流子的贮存时间,导致其不能在高频下工作。BJT是最老的开关器件,目前由于国内仍有一批尚未淘汰的BJT生产线没有停产,仍然活跃于低端市场。低压BJT开关频率可以较高,但由于饱和CE压降高达0.4V以上而远逊于MOSFET,只被用在最低端领域。高压BJT驱动麻烦,需使用低压大电流的电流源驱动,一般使用变压器驱动,在驱动不当或电压应力过大时容易发生二次击穿而失效,适合中功率(50~1000W),对成本极度敏感的市场。

功率半导体的应用场景

近年来,万物互联的呼声越来越高,以汽车、高铁为代表的交通工具,以光伏、风电为代表的新能源领域,以手机为代表的通信设备,以电视机、洗衣机、空调、冰箱为代表的消费级产品,都在不断提高电子化水平,其中又以新能源汽车的高度电子化最为引人注目;与此同时,工业、电网等传统行业也在加速电子化进程。

几乎全行业的电子化发展,势必大大增加了对功率半导体器件的需求。目前全球的功率半导体器件主要由欧洲、美国、日本三个国家和地区提供,他们凭借先进的技术和生产制造工艺,以及领先的品质管理体系,大约占据了全球70%的市场份额。

而在需求端,全球约有35%的功率半导体器件产能被中国大陆所消耗,是全球最大的需求大国,但其自给率却仅有10%,严重依赖进口。

↓↓功率半导体主要产品的特性及应用领域


什么场景其实想要 SiC IGBT

经过上文的啰嗦啰嗦。我们大概知道,成本是目前 SiC IGBT生存的最为关键的因素!那是否有SiC IGBT的潜在的应用方向呢?其实,需要10kv的应用领域是真实存在的,如电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET), 也称固态变压器或者智能变压器。

PET 一般应用于中高压场合,电力机车牵引用的车载变流器;智能电网 / 能源互联网以及分布式可再生能源发电并网等。目前,采用Si IGBT,PET 面临着如下瓶颈:电能转换效率低、功率密度低和可靠性差等。而瓶颈产生的主要因素是应用其中的功率半导体器件的耐压水平有限,导致 10kV 电压需要采用多单元级联的拓扑,从而导致了功率器件、储能电容、电感等数量相当的庞大。SiC MOS 的通态电阻会大幅度增加,导致的损耗会很大,使得其并不适合以 10kV 以上电压的设备。而 SiC IGBT 将会有优越的通态特性,以及开关速度和良好的安全工作区域,在 10kV~25kV 的场合“大显身手”,有望使目前电力电子变压器更上一层楼,因此在该领域的应用或许是SiC IGBT的机会所在。其实SiC IGBT的发展至少也有30年了,大众视野中很少会提及到SiC IGBT产品,并不是没有,只是太多事情是我们目不可及的。就目前而言,SiC器件的制成还有着很多难点需要等待突破和解决呢。

参考资料

1、为什么不用sic做igbt? 英飞凌www.zhihu.com

2、三极管,MOSFET, IGBT的区别?橘子说IGBT;www.zhihu.com

3、SiC IGBT--PET的未来?罗姆半导体社区

编辑:Alpha

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