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低耗能、小型化 碳化矽的时代新使命
打造新一代功率元件势在必行

【作者: 王岫晨】2018年10月03日 星期三

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低耗能、高效率与小型化,已经成为电子产品发展的三大主流趋势。只不过,这三大课题偏偏却正是最令研发人员头疼的问题。电子产品要走向小型化,不只产品的整体外观,连内部细微的元件也都必须一并小型化处理,然而为了提供装置更高的能源效率,功率元件在体积的小型化方面,却遇上了极大的瓶颈。要一次解决这样的问题,便需要发展效率更高、性能更好,且体积也必须要小型化的新一代功率元件。


功率元件

电子装置里的逻辑晶片,很容易就能透过先进的晶圆微缩制程来缩小其体积。然而功率元件的微缩并不是那麽地容易。具体来说,功率元件大致上就是在电子装置中,用於转换高电压大功率的AC/DC转换器,或是以开关电力为目的二极体与MOSFET,另外还有以模组化形式存在的输出功率模组等。


在过去,功率元件的基本材料多半都是以矽(Si)为主,这也是传统最为普遍的半导体材料,然而在近年来,这种矽功率元件开始遭遇到低耗能、高效能与小型化等两大挑战,这使得新一代的半导体材料碳化矽(Silicon Carbide;SiC)开始受到重视。



图1 : 电脑的电源适配器小型化,碳化矽扮演幕後的重要功臣。
图1 : 电脑的电源适配器小型化,碳化矽扮演幕後的重要功臣。

碳化矽是一种能够实现低功耗、高效率与小型化目标的功率元件,相较於矽半导体,碳化矽的特色更偏重於其功率损耗与高温工作特性,都能优於传统的矽半导体元件,此种材料能够降低能源的切换损耗,既使在高温环境下,仍具备绝隹的工作特性,因此被看中将成为新一代的高功率元件材料。


碳化矽

碳化矽不论是在热力学、化学以及物理学等方面,都是非常安定的化合物半导体,其叁数对於功率元件来说十分重要。不只特性上超越了矽半导体的低电阻、高速及高温工作,并且还可大幅减少电力在输送到机器过程中,各种功率转换所导致的能源损耗。近年来随着碳化矽材料的应用逐渐成熟,加上其在半导体领域的独特优势,使得碳化矽已经逐渐走向实用化,在许多大功率的应用,包括对於产品品质有严苛要求的车用领域,以及生活周遭对於节能与小型化特别要求的应用上,都已经可以看到碳化矽半导体的身影。


碳化矽的物性

碳化矽SiC是一种由矽(Si)与碳(C)所构成的化合物半导体材料。其结合力非常强大,使其不论在热力学上、化学上与机械上都能够呈现高度安定的状态。纯碳化矽是无色的,工业用碳化矽由於含有铁质等,因而呈现棕色至黑色,晶体上彩虹般光泽则是由於表面产生的二氧化矽钝化层所导致。



图2 : 三种主要的碳化矽多形体
图2 : 三种主要的碳化矽多形体

碳化矽存在许多不同的晶体型态,由於相似晶体结构的同质多型体,使得碳化矽具有同质多晶的特点。α-碳化矽(α-SiC)是这些多型体中最为常见的,在大於1700℃的温度下形成,特色是具有六方晶体结构。另外还有类似钻石的β-碳化矽(β-SiC),这是在低於1700℃的条件下形成的。相较於α-碳化矽,β-碳化矽拥有更大比例的表面积,因此可用於非均相催化剂的负载体。至於用於打造功率元件的碳化矽,则以4H-SiC最为适合。


SiC功率元件的开发背景

碳化矽当然不是一种全新的材料,在过去便已经存在。然而若将碳化矽应用於功率元件上,将可以达到传统矽功率元件所无法达到的低电力转换损耗。因此我们如果说,功率元件的应用使得碳化矽大放光彩一点都不为过。特别是在这个讲求低功率耗损,强调节能课题的今日,碳化矽能以功率元件的身份粉墨登场,环保节能议题绝对功不可没。


在传统低电压的DC/DC转换器应用中,手持装置的行动化与小型化,因此能源转换效率高於90%以上被视为是理所当然的事。但对於非手持式的高电压、大电流AC/DC转换应用中,效率都还有很大的提升空间。在此同时,包括欧盟能源效率(EU Energy Efficiency)等各国节能规范,都已经开始强烈各种电气与电子设备的能源转换效率必须提高,更包括待机时的电力耗损必须有效降低。


这样的状况,使得这些电子元件的相关厂商,必须开始想办法来降低电力转换过程中所产生的能源损耗,他们很明白,必须找出一种能够超越矽半导体材料特性的物质,才有办法进一步提升功率转换的效率。而碳化矽,正是解决这些问题的答案之一(另一种有助於提高能源效率与小型化的材料为GaN氮化??,更适合应用於新一代的通讯设备)。


解决能源问题

碳化矽已经被认为是解决能源效率问题的解决方案之一。若与IGBT(绝缘闸极双极性电晶体)做比较,碳化矽功率元件约可减少85%的切换损失。除了可以大幅减少能源损耗之外,在其低阻抗、高速动作、高温动作等方面,也可以为电子设备带来整体应用上的好处。


一般来说,碳化矽半导体元件都会与矽元件来进行比较。通常对於功率元件来说,阻抗值会是一个与耗损直接相关的重要指标。碳化矽的特性使得其阻抗值比矽元件来得更低,其意义在於若阻抗值相同,则碳化矽元件面积可以有效缩减。通常在进行大电力的处理时,会将数个电晶体或二极体模组化来组成功率模组,在过去这样的模组体积十分庞大,难以缩小。而现在,采用碳化矽功率元件後,整体体积比起矽元件,约可让尺寸缩小达十分之一。



图3 :  碳化矽的特性有助於减少损耗,近年来被研发作为解决能源问题的新方案。
图3 : 碳化矽的特性有助於减少损耗,近年来被研发作为解决能源问题的新方案。

高速动作主要指的是碳化矽元件可藉由提高切换频率,使得周边元件包括变压器、线圈、电容器等,不需采用像过去一样的庞大体积,可以有效的缩减尺寸至原有的十分之一左右。而高温动作意义则在於可容许元件在更高温的状态下工作,这意味着元件本身不需携带过多的散热片,整体的冷却系统也可更为简化,这些都有助於缩减原本庞大的装置体积。


也因此,高转换效率、高切换频率、高速动作,以及高温动作等特性,造就了碳化矽功率元件能在比起过去还要更小的尺寸条件之下,达到相同的能源转换效率,并同时也为系统周边产生相同的缩减体积效益。换句话说,对於更大电力的系统,碳化矽可以用於改善整体的电力转换效率。


而对於现有的一般电力转换应用,碳化矽则可以有效缩减系统整体体积,达到小型化的目的。这对於本文一开始所提到的,现今电子产品发展的三大趋势:低耗能、高效率与小型化,可以起到非常大的作用。而这也正是碳化矽在这个节能与小型化当道的年代,会被市场关注与重视的原因。


结语

碳化矽不论在热力学、化学与物理学等方面,都是安定非常高的化合物半导体。正由於碳化矽的安定性,使得碳化矽应用於功率半导体元件的时候,其叁数条件都非常优秀。碳化矽功率元件不只具备超越矽半导体的低电阻、高速工作及高温工作特性,而且能有效降低电力输送到机器或装置之间时,各种功率转换所导致的能源损耗。在过去,很多体积庞大的变压器,现在体型都悄悄的缩小了,这正是由於碳化矽加持的缘故。碳化矽元件的市场正逐步迈入成长期,在不久的未来,碳化矽将能为我们的生活带来更多的便利。


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