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  • 如何化解第三代半導體的應用痛點

    發布時間:2022-4-21 11:17    發布者:eechina
    關鍵詞: 第三代半導體
    來源:貿澤電子
    作者:Doctor M

    集成電路和分立器件領域,硅始終是應用最廣泛、技術最成熟的半導體材料,但硅材料技術的成熟恰恰意味著難以突破瓶頸。為了打破固有屏障,半導體產業進一步深入對新材料、新工藝、新架構的探索。憑借著在功率、射頻應用中的顯著性能優勢,第三代半導體逐漸顯露出廣闊的應用前景和市場發展潛力。

    所謂第三代半導體,即禁帶寬度大于或等于2.3eV的半導體材料,又稱寬禁帶半導體。常見的第三代半導體材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AIN)、氧化鋅(ZnO)和金剛石等,其中又以碳化硅和氮化鎵材料技術的發展最為成熟。與第一代、第二代半導體材料相比,第三代半導體材料通常具備更寬的禁帶寬度、更高的擊穿場強、更高的熱導率,電子飽和速率和抗輻射能力也更勝一籌,在高溫、高壓、高頻、高功率等嚴苛環境下,依然能夠保證性能穩定。


    圖1:第三代半導體的材料特性 (圖源:意法半導體)

    從應用領域來看,第三代半導體材料廣泛應用于射頻器件、光電器件、功率器件等領域。以功率半導體市場為例,據TrendForce集邦咨詢報告,在新能源汽車、光伏儲能、智能電網等市場需求拉動下,預計2025年第三代半導體功率市場規模將增至47.1億美元,年復合增長率高達45%。從下游細分市場來看,由于材料性能不盡相同,碳化硅與氮化鎵在應用場景上也略有差異。碳化硅具備更高的熱導率,主要面向新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等高壓、高功率應用;而氮化鎵則以其更高的電子遷移率,高頻特性較好,廣泛應用于PD快充、新能源充電樁、5G通信等領域。


    碳化硅及氮化鎵應用優勢領域 (圖源:英飛凌)

    整體而言,碳化硅、氮化鎵器件市場已經初具規模,在功率和射頻應用領域完成了對硅基半導體器件的初步替代。但由于材料制備技術、器件制造與封裝工藝、動靜態測試、驅動設計優化以及可靠性等問題尚未完全解決,導致第三代半導體器件的性能大打折扣,無法完全發揮其材料本身的優勢。關鍵技術不成熟、成本居高不下,第三代半導體器件自然難以實現更大規模的商業化落地。下面我們就從碳化硅、氮化鎵器件的應用痛點出發,梳理一下國際大廠是如何攻克這些難題的。

    優化封裝技術突破開關性能限制

    與硅功率半導體相比,碳化硅功率器件擁有更快的開關速度、更小尺寸和更低損耗,有望在諸多應用中取代IGBT。然而受限于傳統封裝技術,碳化硅功率器件的性能優勢難以完全得到發揮。傳統封裝形式通常采用TO-247N,柵極引腳和源極引腳的寄生電感將會與寄生電容發生振蕩,從而使MOSFET導通所需的柵極電壓降低,導通速度減慢。為此,一些廠商正在尋求更完善的封裝方案,以優化器件性能,進一步挖掘碳化硅器件潛力。

    貿澤電子在售的來自制造商ROHM的SCT3080KW7TL,是一款7引腳SiC功率MOSFET。SCT3080KW7TL采用了TO-263-7L表貼封裝,將電源源極與驅動器源極引腳分離開,可提供獨立于電源的驅動器源,有效消除了導通時源極電感對柵極電壓的影響。導通時,電流變化時間縮減,導通損耗降低;關斷時,寄生電感減少,關斷損耗也相應降低。此外,SCT3080KW7TL專有的溝槽式柵極結構將導通電阻降低了50%,輸入電容降低了35%。


    圖2:SiC MOSFET平面結構與溝槽結構性能比較 (圖源:羅姆)

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    具體來看,SCT3080KW7TL漏源極擊穿電壓為1.2kV,連續漏極電流為30A,具有很低的漏源導通電阻,數值為104mΩ。獨立式驅動器源極也讓SCT3080KW7TL驅動更加簡單便捷、易于并聯,有助于進一步降低應用設備的功耗。在太陽能逆變器、DC/DC轉換器、開關電源、電機驅動等領域,SCT3080KW7TL已經取得了廣泛應用。

    ROHM另一款也在貿澤有售的BM2SC121FP2-LBZE2,則是一款準諧振AC/DC轉換器IC。該芯片同樣采用了小型表貼封裝TO-263-7L,內部集成了1700V耐壓SiC MOSFET及其柵極驅動電路。與Si-MOSFET相比,BM2SC121FP2-LBZE2將AC/DC轉換器控制IC、800V耐壓Si-MOSFET、齊納二極管、電阻器和散熱板集成在一個封裝內,極大地削減了部件數量,在小型化方面極具競爭優勢。同時,該芯片內置了高精度過熱保護功能,實現了更高的可靠性能。


    圖3:BM2SC12xFP2-LBZ應用電路 (圖源:羅姆)

    此外,BM2SC121FP2-LBZE2采用了電流檢測電阻作為外部器件,IC設計簡單且高度靈活?刂齐娐凡捎脺手C振方式,運行噪聲低、效率高、可軟啟動,可充分降低EMI。整體而言,BM2SC121FP2-LBZE2為大功率逆變器、AC伺服等工業設備提供了低成本、小型化、高可靠性、高效率的AC/DC轉換器解決方案。

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    調整驅動設計降低功率損耗

    作為柵極電壓控制器件,MOSFET柵極驅動電壓的振蕩直接影響著元器件的可靠性,更甚至會造成電路故障或失效。MOSFET器件在轉換過程中,柵極與漏極之間的米勒電容將會誘發米勒振蕩,干擾柵源極電壓上升,從而延長了開關切換時間,導通損耗大幅增加,系統穩定性也隨之降低。對于SiC MOSFET而言,其出色的開關速度和性能更是加劇了米勒導通效應。因此,如何減少米勒電容、降低米勒效應的影響,成為各大廠商迫切需要解決的難題。

    對此,貿澤電子在售的來自意法半導體的SCTH35N65G2V-7AG提供了一種效果顯著的解決方案。SCTH35N65G2V-7AG采用了意法半導體第二代碳化硅MOSFET技術,具有極低的導通電阻和優異的開關性能。該器件漏源極擊穿電壓為650V,漏源導通電阻最大67mΩ,柵極電荷和輸入電容極小,廣泛應用于開關電源、DC/DC轉換器和工業電機控制等領域。

    為了緩解米勒效應,SCTH35N65G2V-7AG采用了有源米勒鉗位技術,在瞬態電壓額定值低于20V/ns時,有效地抑制了米勒振蕩,減少了開關的錯誤導通率,提高了系統穩定性。在較高瞬態電壓下,SCTH35N65G2V-7AG則通過在柵源極使用齊納保護限制振鈴,進一步優化電路輸出波形。

    此外,與傳統IGBT相比,在相同額定電壓和等效導通電阻下,SCTH35N65G2V-7AG表現出更加優秀的耐高溫、低損耗性能,適用于高開關頻率應用場景,可減小無源元件的尺寸。同時,SCTH35N65G2V-7AG的導通損耗與關斷損耗均不受結溫影響。溫度從25℃上升至175℃時,該器件的導通電阻變化率明顯低于競爭產品。

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    圖4:導通電阻隨溫度的變化 (圖源:意法半導體)

    意法半導體另一款貿澤在售的單柵極驅動器STGAP2SICSNTR為中高功率應用提供了一個易于使用的驅動方案。該器件可在柵極驅動銅導與低壓控制接口電路間提供電流隔離,具備4A與軌到軌輸出能力。STGAP2SICSNTR提供了兩種不同的配置選項,第一配置具有獨立輸出引腳,通過使用專用的柵極電阻器獨立優化導通和關斷。第二種配置則具備單輸出引腳和米勒鉗位功能,抑制了半橋拓撲結構高速轉換時產生的柵極尖峰?傮w而言,STGAP2SICSNTR為功率轉換和電機驅動器逆變器等工業應用提供了高度靈活、成本低廉的設計方法。


    圖5:STGAP2SICSNTR兩種配置電路框圖 (圖源:意法半導體)

    STGAP2SICSNTR內置了UVLO和熱關斷保護功能,可針對SiC MOSFET進行值優化。通過雙輸入引腳選擇控制信號極性,實現硬件互鎖保護,避免控制器故障時發生交叉輸出,可幫助工程師輕松設計高可靠性系統,提升系統運行穩定性和抗干擾能力。

    此外,STGAP2SICSNTR高壓軌高達1700V,全溫度范圍內dv/dt瞬變抗擾性在100V/ns左右,輸入輸出延遲低于75ns,PWM控制精度較高,能夠有效提高系統精度。

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    貿澤電子在售的意法半導體GaN半橋高壓驅動器MASTERGAN1TR,采用電源系統級封裝,集成了半橋柵極驅動器和兩個增強型高壓GaN晶體管,為開關電源、充電器、太陽能發電、UPS系統、高壓PFC、DC/DC和DC/AC轉換器等應用提供了簡單緊湊的解決方案。


    圖6:MASTERGAN1TR電路框圖 (圖源:Mouser)

    MASTERGAN1TR還內置了集成式功率分流器和自舉二極管,漏源導通電阻約150mΩ,漏源擊穿電壓為650V,可為嵌入式柵極驅動器快速供電。同時提供UVLO保護和互鎖保護,避免電源開關在低效率或危險條件下工作。

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    總結

    隨著新能源汽車、電力電網和5G通信等領域迅速發展,以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導體憑借著其在高壓、高溫、高頻應用中的優勢,逐漸顯露出對硅基半導體的替代作用。然而受限于傳統封裝工藝、驅動設計等技術瓶頸,第三代半導體器件散熱、可靠性方面都面臨著新的難題和挑戰。

    面對這些應用痛點,貿澤在售的多種類型的功率器件及模塊、門驅動器在封裝工藝和驅動技術方面進行了創新和優化,打破了傳統技術的限制,最大限度地挖掘了寬禁帶半導體材料的性能優勢,推動寬禁帶半導體器件更大規模的商業化應用落地。

    技術發展日新月異,半導體產業對于新材料及材料技術的追求從未止步,超寬禁帶半導體材料逐漸走進人們的視野。以氧化鎵(GaO)為例,與碳化硅和氮化鎵相比,該材料的帶隙更寬、擊穿場強更高,在大功率、高頻率、高電壓設備中擁有更高的應用價值和更廣闊的發展前景。跟隨技術演進方向,貿澤也將不斷擴展產品類目,豐富解決方案,全面助力寬禁帶、超寬禁帶半導體的發展。
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