SiC-碳化硅-功率半导体介绍

電流 [A] 電流 [A]
電圧 [V] 電圧 [V]
Si-FRD
200
Di 電流
160
Di 電圧
1000
V
800
120
600
80 I
40
损失 400
200
0
0
-40
-200
-80 0
100
200
300
時間 [nsec]
-400 400
这个部分的di/dt与EMI关系。 电压EMI=L×di/dt
顺⇒逆 切换时的过渡电流大幅消减 恢复损失1/10！
作为功率半导体SiC的魅力，优点 与其他材料的对比
2
物性数据
性能指数 制作技术
半导体材料 能带隙 (eV) 电子移动度 (cm2/Vs) 绝缘击穿电场 (MV/cm) 饱和漂移速度 (cm/s) 热传导率(W/cm K) 直接迁移 or 间接迁移 Johnson的性能指数 Baliga的性能指数 P型价电子控制 N型价电子控制
热酸化
Si 1.12 1350 0.3 1.0 x 107 1.5 间接
1 1 ○ ○ ○
SiC 3.26 1000 2.8 2.2 x 107 4.9 间接 420 470 ○ ○ ○
GaN 3.42 1500
3 2.4 x 107
1.3 直接 580 850 △ ○ ×
钻石 5.47 2000
8 2.5 x 107
75 75%
Cree
50
SiCrystal
25
Third Suppliers
0 2003
2004
2005
2006
55%
2007 2008
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SiC 市场主要竞争情况概览
14
Cree
Infineon
ST
ROHM
概况
生产产品包括LED芯、 LED灯、LED照明解决 方案、功率器件、无
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特性与优势
反向恢复时间小,Rds(on) 极小 高频特性好 耐高压 温度特性好
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3
可以超高速开关，大大提高产 品效率，减小散热设备体积 可以实现设备小型化， （如电 动汽车充电器） 可在高压下稳定工作（高速列 车，电力等） 可在高温环境下稳定使用（电 动汽车等）
Di 電流
160
Di 電圧
120
80
40
0
-40
-80 0
100
200
300
時間 [nsec]
1000 800 600 400 200 0 -200 -400 400
顺⇒逆 切换时的过渡电流大幅消减 恢复损失1/10！
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+ IC
Confidential 8
扼流线 圈：
通过使用SiC-SBD可使PFC电路高速化 →扼流流圈的小型化。
SiC-SBD
200
Di 電流
160
Di 電圧
120
80
40
0
-40
-80 0
100
200
300
時間 [nsec]
1000 800 600 400 200 0 -200 -400 400
電圧 [V]
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210mm 效率（％）
SiC SBD具备优良的高频特性
转换器的高频运作
100
（200kHz驱动）
90 80
实现电抗器的小型化
70
60
现有的Si器件在10kHz时需要很大的电抗器,
SiC器件可以高频驱动，实现电抗器的小型化
50
40
30
20
10
0
120mm
0
使用Si功率半导体时：重量 21Kg
PFC电路：升压+直流化
Confidential 5
电流 电压 Main电路：SW电源
+ IC
IC
電流 [A] 電流 [A]
Si-FRD
200
Di 電流
160
Di 電圧
1000
V
800
120
600
80 I
40
损失 400
200
0
0
-40
-200
-80 0
100
200
300
時間 [nsec]
-400 400
男性37名、女性19名 （平均年龄：41.1 岁） 平均工作年数：5.8年 Dr. 10名
100
Market share
SiCrystal AG Guenther-Scharowsky-Strasse 1 D-91058 Erlangen Germany
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Infineon・・・量产中 CREE（ Nihon Inter ）・・・量产中 STMicro・・・量产中 新日本无线・三菱等・・・准备量产
Morgan Stanley 调查结果 Yole Development 调查结果 Marketing Eye 调查结果
35亿日元/年 22亿日元/年 30亿日元/年
关于FET的量产还没有仸何制造商有量产计划。 每家 公 司都在 样品 出 货的 阶段 ， ROHM已 于 2010年12月支持SiC MOSFET量产出货。
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SiC基板的生产情况
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ROHM的分公司Sicrystal的SiC基板在世界占有率排名第二
逆回复时间 因为trr变小 电压EMI＝L×di/dt 也变小。
SiC-SBD
200
Di 電流
160
Di 電圧
120
80
40
0
-40
-80 0
100
200
300
時間 [nsec]
1000 800 600 400 200 0 -200 -400 400
使用SiC-SBD可使PFC电路的EMI变小。
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SiC-SBD的应用效果
SiC-SBD・・・・・超高速恢复 ・ 不依靠输入电流可以高速 ！ ・ 不依靠温度可以高速 ！
Confidential 10
PFC・ 升压转换器的应用
逆变器的应用
① 恢复损失大幅减低 (电源效率改善 数%) 发热量减低可使散热片小型化
② 驱动频率上升，电感元件小型化 可以做到小型轻量的电源
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PFC电路 SiC-SBD的优点(EMI篇）
・Si-FRD vs SiC-SBD
电流 电压
PFC电路：升压+直流 化
+ IC
Confidential 6
Main电路：SW电源 IC
逆变器・转换器・净化器
空调 其他家电
电气汽车 EV/HEV
太阳能发电
UPS/电源
SiC 分立器件
电车
产业机器
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SiC功率半导体（SiC-SBD）的市场情况
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SiCSIパC功ワ率ー半半导導体体市市场(場亿 日（元億)円）
+ IC
IC
Main电路(SW电源)输入直流。
从AC(商用)，电压/电流被整流后输入。
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PFC电路 SiC-SBD的优点
・Si-FRD vs SiC-SBD
电流 电压
①恢复损失大幅减低
(电源效率改善 数%)
※ 与IGBT配何使用也能改善SW的损失
发热量减低，散热片小型化
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SiC功率半导体的推广方向
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功率器件（SiC）
SiC功率模块 SiC-IPM
②逆变器
Confidential 9
Motor
電流 [A] 電流 [A]
Si-FRD
200
Di 電流
160
Di 電圧
1000
V
800
120
600
80 I
40
损失 400 200
0
0
-40
-200
-80 0
100
200
300
時間 [nsec]
-400 400
電圧 [V] 電圧 [V]
SiC-SBD
200
工作频率
50100kHz
300kHz
500kHz
通过恢复损失的减低达到高速化运行 →部件的小型化·低成本化
電流 [A]
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Motor电路 SiC-SBD的优点
①升压转换器
900
2010年1月 Morgan Stanley
800
847
2008年的份额信息
※YOLE DEVELOPPEMENT调查
700
600
523
500
400
303
300
183
200
105
100 35 48
0源自文库
2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
2009年度的SiC功率半导体市场的规模
電圧 [V] 電圧 [V]
SiC-SBD
200
1000
Di 電流
160
Di 電圧
800
120
600
80
400
40
200
0
0
-40
-200
-80 0
-400
100
200
300
400
時間 [nsec]
顺⇒逆 切换时的过渡电流大幅消减
恢复损失1/10！
SiC-SBD的使用可以使PFC电路高速化。⇒ 使扼流线圈小型化 。
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【参考】PFC电路
Confidential 4
・无 PFC电 路
电流 电压
电流 电压
+
Main电路：SW电源 IC
因为AC(商用)直接影响Main电路(SW电源)的开关，所以会发生高次谐波和电流顶峰的问题。
・有 PFC电 路
电流 电压
PFC电路：升压+直流化
电流 电压 Main电路：SW电源
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SiC
Si
SiC在高频下也工作
100
200
300
400
频率（kHz)
使用SiC功率半导体 重量 0.72kg
50mm 40mm
PFC电路 SiC-SBD的优点
SiC-SBD 优点
PFC电路：升压+直流 化
PVT PVT
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ƻ Metastable Solvent Epitaxy
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‫ޏޙ‬ऄߑ ‫ޏޙ‬ऄߑ ͧΌΒ΄͹䆯‫ؔ؍‬䇎‫׽‬灁灭灘灆灐炕ͨ
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VCE(Vacuum Chemical Epitaxy)੸৥ 䇎䃠ۨ୸ࡣ
PVT
ٌБ‫ם‬؆‫ߐ܉‬PVT
SiC功率半导体介绍
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20 间接 4400 13000 ○ × ×
GaN的物性数据好(特别适合光学用途) ，作为功率器件用途时，器件的制作技术难点多，综合 比较不如SiC。 钻石是终极半导体，有着凌驾SiC和GaN的出色的物性,不过，制作技术过程中有很多问题，现 在暂时不考虑实用化。
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受到SiC晶元厂家的制约。3个月
SiC
SBD 2~3USD/PCS
2~3USD/PCS
N/A
价格
价格灵活
产品 SBD有全系列产品， 系列 MOS未量产。
SBD有全系列产品，MOS未`SBD产品线略有不足，
线器件以及半导体材
料。
S推元iC需出肖要第特向三基C代二ret极he等in管Q厂于!™家230G采0。9购年晶。由 司 公 要意 和 司向大 法 合Cre利 国 并e等的 而Th厂成SoGm家。Ss微o采晶n电半购元子导。需公体全元导体球生厂唯产家一能。的力具的备专业SiC半晶
交期 5~6个月
5~6个月，受到SiC晶元厂 家的制约。
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