Aplicações de carboneto de silício

Entre os principais componentes dos veículos elétricos, os módulos de potência automotiva – utilizando principalmente a tecnologia IGBT – desempenham um papel crucial. Esses módulos não apenas determinam o desempenho chave do sistema de acionamento elétrico, mas também respondem por mais de 40% do custo do inversor do motor. Devido às vantagens significativascarboneto de silício (SiC)em relação aos materiais tradicionais de silício (Si), os módulos de SiC têm sido cada vez mais adotados e promovidos na indústria automotiva. Os veículos elétricos agora utilizam módulos SiC.

O campo dos novos veículos energéticos está a tornar-se um campo de batalha crucial para a adopção generalizada decarboneto de silício (SiC)dispositivos e módulos de energia. Os principais fabricantes de semicondutores estão implantando ativamente soluções como configurações paralelas de SiC MOS, módulos de controle eletrônico de ponte completa trifásica e módulos SiC MOS de nível automotivo, que destacam o potencial significativo dos materiais de SiC. As características de alta potência, alta frequência e alta densidade de potência dos materiais SiC permitem uma redução substancial no tamanho dos sistemas de controle eletrônico. Além disso, as excelentes propriedades de alta temperatura do SiC atraíram considerável atenção no setor de veículos de novas energias, levando a um vigoroso desenvolvimento e interesse.

Atualmente, os dispositivos baseados em SiC mais comuns são os diodos SiC Schottky (SBD) e os MOSFETs de SiC. Embora os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) combinem as vantagens dos MOSFETs e dos transistores de junção bipolar (BJTs),SiC, como um material semicondutor de banda larga de terceira geração, oferece melhor desempenho geral em comparação com o silício (Si) tradicional. No entanto, a maioria das discussões concentra-se nos MOSFETs de SiC, enquanto os IGBTs de SiC recebem pouca atenção. Esta disparidade deve-se principalmente ao domínio dos IGBTs baseados em silício no mercado, apesar dos numerosos benefícios da tecnologia SiC.

À medida que os materiais semicondutores de banda larga de terceira geração ganham força, os dispositivos e módulos de SiC estão emergindo como alternativas potenciais aos IGBTs em vários setores. No entanto, o SiC não substituiu totalmente os IGBTs. A principal barreira à adoção é o custo; Os dispositivos de energia SiC são aproximadamente seis a nove vezes mais caros que seus equivalentes de silício. Atualmente, o tamanho principal do wafer de SiC é de seis polegadas, necessitando da fabricação prévia de substratos de Si. A maior taxa de defeitos associada a esses wafers contribui para seus custos elevados, limitando suas vantagens de preço.

Embora tenham sido feitos alguns esforços para desenvolver IGBTs de SiC, seus preços são geralmente pouco atraentes para a maioria das aplicações de mercado. Nas indústrias onde o custo é fundamental, as vantagens tecnológicas do SiC podem não ser tão atraentes quanto os benefícios de custo dos dispositivos tradicionais de silício. No entanto, em setores como a indústria automóvel, que são menos sensíveis ao preço, as aplicações SiC MOSFET progrediram ainda mais. Apesar disso, os MOSFETs de SiC realmente oferecem vantagens de desempenho sobre os IGBTs de Si em certas áreas. Num futuro próximo, espera-se que ambas as tecnologias coexistam, embora a atual falta de incentivos de mercado ou de procura técnica limite o desenvolvimento de IGBTs de SiC de maior desempenho.

No futuro,carboneto de silício (SiC)Espera-se que os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) sejam implementados principalmente em transformadores eletrônicos de potência (PETs). Os PETs são cruciais no campo da tecnologia de conversão de energia, especialmente para aplicações de média e alta tensão, incluindo construção de redes inteligentes, integração de internet energética, integração distribuída de energia renovável e inversores de tração de locomotivas elétricas. Eles ganharam amplo reconhecimento por sua excelente controlabilidade, alta compatibilidade de sistema e desempenho superior de qualidade de energia.

No entanto, a tecnologia PET tradicional enfrenta vários desafios, incluindo baixa eficiência de conversão, dificuldades em aumentar a densidade de potência, custos elevados e fiabilidade inadequada. Muitos desses problemas decorrem das limitações de resistência de tensão dos dispositivos semicondutores de potência, que exigem o uso de estruturas complexas em série de vários estágios em aplicações de alta tensão (como aquelas que se aproximam ou excedem 10 kV). Essa complexidade leva a um aumento no número de componentes de potência, elementos de armazenamento de energia e indutores.

Para enfrentar estes desafios, a indústria está investigando ativamente a adoção de materiais semicondutores de alto desempenho, especificamente IGBTs de SiC. Como um material semicondutor de banda larga de terceira geração, o SiC atende aos requisitos para aplicações de alta tensão, alta frequência e alta potência devido à sua força de campo elétrico de ruptura notavelmente alta, banda larga larga, rápida taxa de migração de saturação de elétrons e excelente condutividade térmica. Os IGBTs SiC já demonstraram desempenho excepcional na faixa de média e alta tensão (incluindo, entre outros, 10 kV e abaixo) no campo da eletrônica de potência, graças às suas características de condução superiores, velocidades de comutação ultrarrápidas e ampla área operacional segura.

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