Полупроводники с широкой запрещенной зоной становятся доминирующей технологией нового поколения в мире силовой электроники, открывая новый этап развития отрасли. В авангарде этой инновации находятся нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), которые значительно лучше по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния, такими как МОП-транзисторы и IGBT. Эти материалы, отличающиеся широкой запрещенной зоной, обеспечивают более высокую эффективность, большую удельную мощность и возможность работы при более высоких напряжениях и температурах. Мы рассмотрим ключевые различия между GaN и SiC, сравним их характеристики, температурный режим, терморегулирование и пригодность для применения. Кроме того, мы рассмотрим финансовые последствия и будущие тенденции, которые могут повлиять на внедрение этих технологий в различных отраслях промышленности.
Характеристики GaN и SiC с широкой запрещенной зоной
Полупроводники с широкой запрещенной зоной представляют собой значительный шаг вперед в возможностях силовой электроники. Традиционные устройства на основе кремния имеют ограничения с точки зрения эффективности, рабочего напряжения и тепловых характеристик, которые все чаще решаются с помощью GaN и SiC. Эти материалы имеют большую пропускную способность, что позволяет им работать при более высоких напряжениях и температурах с меньшими потерями, что делает их идеальными для широкого спектра современных применений, от автомобильных инверторов до источников питания высокой плотности. Несмотря на то, что эти преимущества обеспечивают и GaN, и SiC, их отличительные характеристики делают каждый из них более подходящим для конкретных случаев использования.
Ширина запрещенной зоны SiC составляет приблизительно 3,26 эВ (электрон-вольт). Такая широкая запрещенная зона позволяет SiC-устройствам работать при гораздо более высоких напряжениях и температурах по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами (которые имеют запрещенную зону около 1,1 эВ). Широкая полоса пропускания также способствует способности SiC выдерживать высокие уровни мощности с меньшими потерями, что делает его идеальным для применения в системах с высокой мощностью.
Ширина запрещенной зоны GaN составляет приблизительно 3,4 эВ. Эта немного более широкая ширина по сравнению с SiC позволяет устройствам GaN достигать высокой подвижности электронов, что имеет решающее значение для высокоскоростной коммутации и высокочастотных операций. Ширина полосы пропускания GaN также позволяет использовать его в приложениях, требующих высокой эффективности и компактных конструкций, таких как источники питания и радиочастотные усилители.
Эффективность коммутации
Быстродействие коммутации является важным фактором в силовой электронике, и как GaN, так и SiC обладают существенными преимуществами по сравнению с кремнием. Например, устройства GaN способны переключаться на частотах более 1 МГц со скоростью переключения до 150 В/нс, что делает их идеальными для применений, требующих высокой эффективности и плотности мощности. Энергия переключения у GaN более чем на 50% ниже, чем у SiC, что напрямую снижает потери в процессе эксплуатации. Кроме того, полевые транзисторы GaN не подвержены потерям при обратном восстановлении, в отличие от устройств SiC, которые содержат основной диод, приводящий к дополнительным потерям. Это делает GaN особенно выгодным в схемах коррекции коэффициента мощности (PFC), где более низкие потери приводят к более высокому КПД.
С другой стороны, SiC отлично подходит для применения в высоковольтных системах, способных работать при напряжении до 1200 В, переключаться со скоростью до 50 В/нс и на частотах до 100-200 Гц. Несмотря на то, что SiC имеет более высокие потери на обратное восстановление по сравнению с GaN, он компенсирует это своей способностью выдерживать более высокие токи, что делает его подходящим для применения в тяжелых условиях, таких как автомобильные тяговые преобразователи и крупные трехфазные сетевые преобразователи.
Работа при высоких температурах
Высокая температура имеет решающее значение при проектировании силовых электронных систем, и различия между GaN и SiC играют важную роль в этом аспекте. SiC, в частности, известен своей устойчивостью к повышенным температурам и, как правило, способен надежно работать при температуре соединения до 200°C и выше. Это делает SiC отличным выбором для использования в суровых условиях и в системах с высокой мощностью, где требуется регулирование температуры.
Устройства GaN, работающие при несколько более низких температурах, чем SiC, тоже обладают улучшенными тепловыми характеристиками по сравнению с кремниевыми. Более высокая эффективность GaN означает, что во время работы он выделяет меньше тепла, что может снизить потребность в комплексных решениях для охлаждения в определенных областях применения. Однако в условиях, когда постоянно поддерживаются чрезвычайно высокие температуры, SiC остается более надежным вариантом благодаря своей превосходной термостойкости.
Терморегулирование
Терморегулирование имеет решающее значение при проектировании силовых электронных систем, и различия между GaN и SiC играют важную роль в этом аспекте. Высокая теплопроводность SiC позволяет более эффективно отводить тепло, что жизненно важно для мощных систем, генерирующих значительное количество тепла. Это свойство снижает потребность в сложных системах охлаждения, что делает SiC подходящим для применений, где регулирование температуры в противном случае могло бы стать ограничивающим фактором.
GaN, несмотря на более низкую теплопроводность по сравнению с SiC, обладает более высокой эффективностью, что в целом приводит к меньшему тепловыделению. Однако нельзя упускать из виду необходимость эффективного управления температурой, особенно в системах с высокой плотностью энергопотребления. Для поддержания оптимальной производительности и долговечности устройств GaN часто требуются тщательно спроектированные системы охлаждения, такие как усовершенствованные радиаторы или принудительное воздушное охлаждение.
Приложения
Отличные характеристики GaN и SiC делают их пригодными для различных типов применений. GaN часто является предпочтительным выбором для применений, требующих высокой эффективности и удельной мощности при напряжении ниже 1000 В. К ним относятся бытовая электроника, телекоммуникационные источники питания, промышленные системы электроснабжения и бортовые зарядные устройства для электромобилей. Высокая скорость переключения и низкие потери делают GaN идеальным решением для компактных и высокоэффективных преобразователей.
С другой стороны, SiC лучше подходит для применения в системах с высокой мощностью и высоким напряжением. Его способность работать при напряжении до 1200 В и высокая теплопроводность делают его идеальным полупроводником для тяговых инверторов электромобилей, мощных солнечных электростанций и крупных трехфазных сетевых преобразователей. Устойчивость SiC к высоким температурам еще больше повышает его пригодность для работы в этих сложных условиях.
Эффективность и удельная мощность
Что касается эффективности и удельной мощности, то и GaN, и SiC обладают значительными преимуществами перед кремниевыми в разных областях. GaN, благодаря более низким потерям при переключении и более высоким рабочим частотам, обеспечивает более высокую эффективность и удельную мощность в таких приложениях, как однофазные ПФУ и многоуровневые преобразователи. Например, в многоуровневых сетевых преобразователях GaN может достигать КПД 99,2% при плотности мощности 211 Вт/дюйм3, по сравнению с КПД SiC в 98,9% при плотности мощности 170 Вт/дюйм3.
SiC, хотя и несколько менее эффективен, чем GaN, в некоторых областях применения все же обеспечивает существенные улучшения по сравнению с традиционными кремниевыми устройствами. Его способность выдерживать высокие напряжения и токи без чрезмерного ущерба для эффективности делает его незаменимым для крупномасштабных систем большой мощности, где плотность мощности является меньшим ограничением, чем в небольших и компактных конструкциях.
Анализ затрат
Стоимость является решающим фактором при внедрении любой технологии, и как GaN, так и SiC демонстрируют разную динамику затрат. GaN потенциально может стать более экономичным в долгосрочной перспективе благодаря использованию кремниевых подложек, которые являются менее дорогостоящими и выигрывают от отработанных крупномасштабных процессов производства кремния. Прогнозируемые тенденции в области затрат указывают на то, что GaN, вероятно, станет наиболее экономичным широкополосным полупроводником по мере развития технологии и расширения масштабов внедрения на рынок.
Несмотря на то, что SiC в настоящее время стоит дороже, чем GaN, он обеспечивает экономичное применение в системах с высокой мощностью благодаря более высокому КПД и меньшим требованиям к охлаждению. Однако более высокие затраты на подложку и изготовление SiC, обусловленные необходимостью применения специализированных процессов и материалов, могут ограничить его конкурентоспособность в системах с низкой мощностью.
Будущие тенденции и рынок
Будущее широкополосных полупроводников выглядит многообещающим, и ожидается, что как GaN, так и SiC будут широко применяться в различных отраслях промышленности. Траектория развития GaN предполагает, что они будут по-прежнему доминировать в приложениях, где решающее значение имеют высокая эффективность, компактные размеры и экономичность. По мере развития технологии GaN мы можем ожидать, что она заменит кремний во все большем числе потребительских и промышленных применений, особенно в диапазоне мощности менее 10 кВт.
Несмотря на то, что SiC занимает более нишевую позицию, он, вероятно, сохранит свои позиции на рынках высоковольтного оборудования большой мощности. Его надежность и способность работать в экстремальных условиях делают его незаменимым для таких отраслей, как автомобилестроение, возобновляемые источники энергии и промышленные энергосистемы. По мере дальнейшего развития технологии мы также можем увидеть улучшения в структуре затрат SiC, что сделает ее более доступной для более широкого круга применений.
Источник: https://www.electronicspecifier.com/news/analysis/wide-bandgap-semiconductors-gan-or-sic
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
