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电力资源正危急 让我们明智使用它
 

【作者: Bret Zahn】2019年10月16日 星期三

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毫无疑问,未来的公共运输、个人交通工具和货运是采用电力的,即使航空业也开始用电力代替喷气燃料。电气化已成为汽车领域前所未有的变革推动力,其他领域也将经历同样颠覆性的变革。当前任何应用的主要动力源实际上都基於某种形式的不可再生燃料。


在全球致力於减少二氧化碳排放後,我们的发电方式正在转向更清洁、更可再生的方式。 尽管现在可再生能源已经很成熟,但新的(可能更高效的)技术也正在探索中,且无疑将得以发展,到那时将完成过渡。



图一 : 增加的半导体含量
图一 : 增加的半导体含量

但随着化石燃料发电站的废除,廉价能源的时代也将一去不返。这意味着,就性能和能效而言,传导(或更准确地说是半导体)首次比燃烧更具影响力。 因此,我们管理电力的方式也必须改变,这有两个原因:我们需要每瓦特功率做更多,以及需要为一切工作产生更多的功率。


宽能隙的出现

矽尤其是CMOS作为正在使用的最重要的半导体技术,几??没有人期??它们被取代,至少在可预见的未来不会。但是对於高功率和高频应用,人们普遍认为矽并不是唯一的选择。


实际上,矽在这方面的局限性已成为进一步改进的障碍。为了实现汽车功能电子化,这是不能维系的,为因应这一迫在眉睫的危机,行业已加紧应对这一挑战。


宽能隙半导体(WBG)半导体衬底的开发,特别是氮化??(GaN)和碳化矽(SiC),在电压/电流容量、开关速度和寄生特性方面表现出显着优势。这些特性使它们成为管理、转换和分配用於汽车领域混合动力或全电动传动系统中的高压的理想方案。这扩展到需要高能效的其他应用,如太阳能电池逆变器和风力涡轮机,或用於工业自动化中驱动电机。



图二 : 1200 V SiC MOSFET
图二 : 1200 V SiC MOSFET

当然,这有显着的挑战。例如,安森美半导体是极少数成功开发大型裸片SiC MOSFET的半导体制造商之一。整个制造工艺必须对SiC进行重新评估和工程设计,发现并解决良率问题,重新设计封装以应对SiC可能施加在器件上的应力增加,并采用SiC开发出新的氧化物处理前所未有的高dv/dt数位。在相对较短的时间内将极强固的二极体和MOSFET推出市场。


构建一个生态系统

就整个半导体行业而言,WBG仍处於萌芽阶段。与CMOS不同的是,实际上没有成熟的供应链提供「无晶圆厂」的管道进入市场,因此供应商要少得多。那些开创性的WBG专注於开发WBG的技术和市场,以及他们自己的产品组合,而不是创建一个横向领域来满足更广泛行业希??开发GaN或SiC产品的需要。


这些市场动态可能会随着技术的发展发生变化,但现在任何想要成功交付WBG器件的公司都需要有从晶锭到板的一整套方案。


完整的SiC方案

整体方案的概念并不止於SiC电晶体、二极体或整合的电源模组; WBG的性质与其促成的终端应用一样具有颠覆性。工程师将意识到功率电晶体需要驱动器,并且每种电晶体类型(Si、SiC、GaN)在这方面都有不同的要求。这对完善产品所需的驱动技术产生影响。


出??意料的是,一些供应商声称能够将IGBT驱动器重新用於SiC MOSFET。安森美半导体认为这可能不是最隹化的方案。驱动器需要开发出以满足所用半导体技术的特定要求。将设计用於传统MOSFET或IGBT的驱动器应用於驱动SiC MOSFET没有考虑到WBG中开关行为和基板叁数的差异,如输入阻抗、门极电荷和动态特性(di/dt和dv/dt)。


很明显,考虑到这些显着差异,标准IGBT或超级结MOSFET驱动器的设计并不是为了最隹地驱动SiC MOSFET。 因此,如果这些器件不达到其最隹性能,将不能实现更高效能、更高功率密度和更低总成本的承诺。


电源模组的重要性

SiC的生态系统也必须扩展到模组,因为模组已经是电源应用中的主要市场推动力,并且不太可能随着转向WBG而改变。在需要20kW或更高功率的应用中使用电源模组的好处已经证实,且功率需求只会不断增加。


SiC的电感和热优势将在模组市场明显体现,虽然可使用相同的形状因数,但几??需要解决模组设计的所有其他方面。这将需要高水准的设计支援,例如,提供用於SiC FET的SPICE模型。


不久的将来将会发生的另一个重要发展是IGBT和SiC之间的成本平价。如前所述,一个新生的市场需要在每个关键阶段进行更大的垂直整合,以达到高生产效率,安森美半导体敏锐意识到此并正积极致力於此。


随着来自汽车领域主要是电动汽车对SiC方案的巨大且日增的兴趣,势头正在迅速增长。 SiC的尺寸、重量和能效优势已获制造商认可,随着其与其他类型的功率电晶体价格趋於同等水准,需求将会增加。



图三 : 安森美半导体的碳化矽二极体及FET阵容
图三 : 安森美半导体的碳化矽二极体及FET阵容

安森美半导体拥有大量二极体和MOSFET,将於2019年底开始面向工业市场出售完整的SiC模组,并计画於2020年推出全面的汽车产品阵容,这有助於构建SiC生态系统和需求,从而提供推动整个半导体行业的良性??圈。


(本文作者Bret Zahn为安森美半导体低压MOSFET、电池保护MOSFET和宽禁带(GaN和SiC)高级总监兼总经理)


**刊头图(source:Money Crashers)


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