国内外碳化硅电力电子进展.pptx

《国内外碳化硅电力电子进展.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国内外碳化硅电力电子进展.pptx（44页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1一、碳化硅的市场二、国外技术进展三、我国发展状况四、发展建议内容提要内容提要第1页/共44页2碳化硅相比于硅的优势与硅相比，碳化硅（4H-SiC）具有：u10倍以上的临界电场强度 u3倍禁带宽度u3倍的热导率u 工作于更高的温度和辐射环境u更高的系统效率（损耗降低1/2）u芯片面积1/5u工作频率高，10kV器件20kHzu单个器件更高的电压（20kV以上）u可减小体积和重量：减少或免除水冷，免除笨重的50Hz变压器。第2页/共44页3600V-1200V 的碳化硅器件节能，高频的SiC二极管，目前用于高效电源（包括LED TV的电源）、太阳能逆变器。等开关器件量产之后，将引领另一波增长，比

2、如混合电动汽车可可以取消一路制冷，省油10%。比如5kW的 inverter，比硅系统小7倍，轻8倍，节能20%（同时满足）,非常适合在空间飞行器、飞机上的应用。第3页/共44页41700V-6500V的碳化硅器件比如风力发电、电力机车。2020年欧洲风能增加6倍，每个5兆瓦的风力发电机需要160兆瓦的电力电子器件，市场巨大。在这种更高电压，更大功率的应用中，碳化硅器件节能，高频优势更加明显。Cree已经推出1700V，25A二极管产品。第4页/共44页5高于10kV的碳化硅器件1.10kV的存取电系统：未来电网有更多的分布式新能源（太阳能，风能。），需要储存电能。降压，储存，升压这一个来回，

3、SiC可以节能10%，并且去除笨重的60hz变压器。2.HVDC：中国西电东输。挪威的海上石油平台，欧洲海上风电场需要长距离高压输电。需要20kV或更高电压的碳化硅器件。第5页/共44页6低电压市场爆发增长，高压器件将陆续出货1.第一波市场是肖特基二极管：第一波市场是肖特基二极管：2008销售额达销售额达2300万美元，万美元，2010年年已达已达1亿美元。（亿美元。（2010财政年度财政年度,2010年年7月为止）。去年月为止）。去年Cree 二极管二极管销售增长销售增长120%。2005年以来平均年以来平均68%的年增长率。的年增长率。2.器件价格不断下降。从器件价格不断下降。从2007年

4、到年到2010年，年，Cree的碳化硅二极管价的碳化硅二极管价格降了格降了3倍。这是通过三方面的措施实现的：增大晶圆、提高材料质倍。这是通过三方面的措施实现的：增大晶圆、提高材料质量和工艺水平、扩大规模。量和工艺水平、扩大规模。Cree于于07年，英飞凌于年，英飞凌于08年转为年转为4寸生产寸生产线。为了进一步降低器件成本，线。为了进一步降低器件成本，Cree在在2010年欧洲碳化硅会议上发年欧洲碳化硅会议上发布布6英寸衬底英寸衬底,一年后量产。同样的外延炉，一年后量产。同样的外延炉，6寸比寸比4寸增加寸增加50%的有的有效面积。效面积。3.英飞凌在英飞凌在2010年欧洲碳化硅会议上宣布，年欧

5、洲碳化硅会议上宣布，2011年量产碳化硅开关年量产碳化硅开关器件（器件（JFET）。这将引领更大的市场增长。）。这将引领更大的市场增长。4.Cree已经推出已经推出1700V 二极管。市场拓展到马达驱动领域。二极管。市场拓展到马达驱动领域。第6页/共44页7材料的来源和质量1.2009年的统计，英飞凌和年的统计，英飞凌和Cree每月各需要每月各需要1500片片4寸片。寸片。Cree的的4寸寸导电衬底基本被导电衬底基本被Cree和英飞凌瓜分，少量被意法半导体等拿到。和英飞凌瓜分，少量被意法半导体等拿到。2.大市场和垄断、高利润不可能并存，市场有巨大的扩产、降价和增大大市场和垄断、高利润不可能并存

6、，市场有巨大的扩产、降价和增大晶圆的压力。今年更多的供应商开始提供晶圆的压力。今年更多的供应商开始提供4英寸高质量衬底。比如英寸高质量衬底。比如II-VI半年内产能扩大到半年内产能扩大到3倍，倍，5年内衬底产量增到年内衬底产量增到9倍（绝大部分来自电倍（绝大部分来自电力电子衬底）。力电子衬底）。II-VI公司准备明年发布公司准备明年发布6英寸。英寸。Dow Corning 大踏步大踏步进入衬底和外延市场。预计进入衬底和外延市场。预计5年后，健全的年后，健全的6英寸产业链将打开白色家英寸产业链将打开白色家电的市场。电的市场。3.材料的质量：材料的质量：材料供应商面临很大的压力提供零微管衬底。这是

7、大电流器件必需的材料供应商面临很大的压力提供零微管衬底。这是大电流器件必需的条件。条件。现在不仅现在不仅Cree，II-VI，DowCorning已经具有零微管技术。已经具有零微管技术。现在研究的热点是降低外延的缺陷：目前最好的外延缺陷水平现在研究的热点是降低外延的缺陷：目前最好的外延缺陷水平0.7/cm2，已经大于衬底的缺陷密度，成为瓶颈。预计外延很快有大幅度的改，已经大于衬底的缺陷密度，成为瓶颈。预计外延很快有大幅度的改良。东京电子良。东京电子2010年欧洲碳化硅会议上发布了碳化硅外延设备：年欧洲碳化硅会议上发布了碳化硅外延设备：6x6英寸。英寸。第7页/共44页8节能减排的大背景2005

8、年全世界碳排放年全世界碳排放28万亿吨，如果不采取措施，万亿吨，如果不采取措施，2050年会达到年会达到65万亿吨。采取积极措施之后，可万亿吨。采取积极措施之后，可以降到以降到14 万亿吨，最重要的措施是：万亿吨，最重要的措施是：1.新能源：可以降低新能源：可以降低21%的碳排放。的碳排放。2.节省用电：高效用电技术可以减少节省用电：高效用电技术可以减少24%的碳排的碳排放。放。碳化硅电力电子在以上两方面都有重要应用。碳化硅电力电子在以上两方面都有重要应用。第8页/共44页9节能方面比LED更有潜力因为照明（包括因为照明（包括LED），只占），只占20%的电能应用。的电能应用。80%的电能用的

9、电能用于马达、电源。尽管于马达、电源。尽管Cree目前目前85%的利润来自的利润来自LED。Cree公司公司宣称绝不放弃电力电子市场。宣称绝不放弃电力电子市场。第9页/共44页10 国外碳化硅器件研究状况第10页/共44页11肖特基二极管肖特基二极管（SBD、JBS）开关开关 双极型二极管双极型二极管 IGBTSiC电力电子器件电力电子器件整流器整流器PIN单极晶体管单极晶体管双极晶体管双极晶体管MOSFETJFETBJT,GTO国外：多种器件系统研发，其中低功率SBD已经产品化。目前重点开发的器件类型：第11页/共44页12美国 Cree:MOSFET、BJT、JBS、GTO GE:VDMO

10、S,模拟集成电路 Semisouth：JFET、JBS 日本 Rohm：MOSFET Mitsubishi：MOSFET AIST：MOSFET Hitachi:JFET DENSO：JBS KEPCO：模块欧洲 Infineon：JBS,JFET Bosch：模拟集成电路碳化硅器件开发机构列举第12页/共44页13碳化硅单极器件碳化硅单极器件第13页/共44页14美国Cree和德国英飞凌等多家公司能够提供碳化硅 SBD的系列产品，其中反向耐压有600V，1200V，1700V多个系列，正向电流最高达50A。目前国外已经淘汰了2英寸碳化硅晶圆，目前主流是3英寸。英飞凌、Cree已经开始采用4英

11、寸生产线。英飞凌2005年开始推出第二代碳化硅SBD：JBS二极管。碳化硅肖特基二极管产业发展第14页/共44页15碳化硅碳化硅MOSFET：研发阶：研发阶段段日本日本Rohm公司在公司在3英寸晶圆上制作的英寸晶圆上制作的1200V/20A MOSFET，碳化硅碳化硅MOSFET和和SBD组成的组成的IPM模块。模块。第15页/共44页16碳化硅高压肖特基二极碳化硅高压肖特基二极管管Cree 10kV 20A SiC 模块模块Cree在在3英寸晶圆上制作的英寸晶圆上制作的10kV/20A 肖特基肖特基 二极管。芯片二极管。芯片面积达到面积达到 15mm x 11mm。第16页/共44页17碳化

12、硅高压碳化硅高压MOSFETCree在在3英寸晶圆上制作的英寸晶圆上制作的10kV/20A MOSFET。芯片面积超过。芯片面积超过 8mm x 8mm。第17页/共44页18碳化硅双极器件碳化硅双极器件双极型碳化硅器件是高功率器件的未来，碳化硅可以实现20kV以上的二极管、晶闸管、IGBT。目前已经有零微管4英寸单晶技术和超过200um的厚外延技术。瓶颈是外延质量。第18页/共44页19碳化硅碳化硅PIN二极管二极管Cree在2英寸晶圆上制作的20kV/10A PIN 二极管第19页/共44页20碳化硅碳化硅IGBTCree公司报告了一个碳化硅n沟道IGBT，其特征电阻22mcm2，反向抵抗

13、13kV。其特征电阻比13kV碳化硅单极器件低了大概10倍！展示了碳化硅材料提供高功率的潜力。但是碳化硅IGBT的技术难度很大。第20页/共44页21碳化硅碳化硅GTO2009年Cree公司报告了一个大面积碳化硅GTO，N型衬底。第21页/共44页22碳化硅碳化硅GTOCree公司的9kV GTO，单芯片电流400A第22页/共44页23碳化硅碳化硅GTO 20kV器件。提高少子寿命和减少BPD缺陷至关重要，是目前外延技术研究的热点。第23页/共44页24碳化硅高温集成电路碳化硅高温集成电路第24页/共44页25lGE：NMOS OPAMP，室温增益=60dB，300 增益=57.9dB。地热

14、发电，发动机燃烧控制。lBosch：NMOS，汽车尾气探测，400。lNASA：JFET集成电路，500,4k小时可靠性测试。现在正在空间站运行。lRaytheon：CMOS碳化硅集成电路研究取得进展碳化硅集成电路研究取得进展第25页/共44页26l10kV以下的器件会陆续上市场。20kV的器件方面，外延材料是研究热点。l集成电路开始成为研究热点。l耐高温和高压器件的封装测试问题开始受到重视。国外发展总结第26页/共44页27外延生长的10微米外延薄膜表面原子力图像.第27页/共44页28器件600V-30A第28页/共44页29l因为电力电子器件工作时自发热较多，额定工作结温一般在125。所

15、以室温测试对于电力电子器件来说意义不大，所有测试都是在结温125下进行。l和硅二极管对比。硅二极管是国际整流器公司的600V-30A超快二极管：IRGP30B60KD。碳化硅二极管是我们的600V-30A SiC JBS。应用：续流二极管对IGBT模块的影响第29页/共44页30续流二极管对IGBT模块的影响IGBT的开通特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。减少了IGBT电流尖峰，减少了EMC。测试条件：VCC=400V;IC=35A;Rg=27;Tj=125.CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT开通第30页/共44页3

16、1续流二极管对IGBT模块的影响IGBT开通参数参数单位单位Si-diodeSi-diodeSiC SBDSiC SBD条件条件VCC=400V;IC=35A;VGE=15V;Rg=27,感性负载感性负载Tj=125 td(on)ns7070trns5050E(on)mJ1.00.7IpeakA8460IGBT 开通特性比较第31页/共44页32续流二极管对IGBT模块的影响IGBT开通在不同电流下，和两种二极管配对的IGBT开通能耗比较。第32页/共44页33续流二极管对IGBT模块的影响IGBT的关断特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。基本没有差别。测试条件：VCC=400V;IC=35

17、A;Rg=27;Tj=125。CH1:IC=10A/div;CH2:VCC=100V/div;timebase=200ns/divIGBT关断第33页/共44页34续流二极管对IGBT模块的影响二极管的反向恢复特性：左图硅二极管，右图碳化硅二极管。测试条件：VCC=400V;IF=-35A;Rg=27;Tj=125 CH1:IC=15A/div;CH2:VCC=200V/div;timebase=100ns/div二极管反向恢复第34页/共44页35续流二极管对IGBT模块的影响35A下，二极管反向恢复特性比较。另外，碳化硅二极管的软度比硅二极管高，所以电压尖峰从560V下降到440V，过电压

18、从160V（40%过电压）下降为40V（10%过电压），提高了模块的可靠性。参数参数单位单位Si-diodeSiC-JBS减小比减小比例例条件条件VCC=400V;IF=35A;Rg=27,感性负载感性负载Tj=125IrrA401465trrns1266251QrruC3.30.390ErecmJ0.70.0790%二极管反向恢复第35页/共44页36续流二极管对IGBT模块的影响在不同电流下，两种二极管反向恢复能耗比较。二极管反向恢复第36页/共44页37续流二极管对IGBT模块的影响35A电流下，两种600V IGBT模块动态能耗比较。和国外产品报道相当（参见Cree公司产品介绍）。模块

19、动态总能耗第37页/共44页38需要解决的问题两种600V 二极管正向特性比较。SiC芯片面积 受到目前工艺所限，因此SiC二极管正向压降较大。第38页/共44页39国内的碳化硅现状国内的碳化硅现状u国内对碳化硅很熟悉：各个大学普遍都有国内对碳化硅很熟悉：各个大学普遍都有国外公司送的碳化硅器件样品。国内有电国外公司送的碳化硅器件样品。国内有电源厂家用碳化硅肖特基二极管。源厂家用碳化硅肖特基二极管。第39页/共44页40碳化硅产业链健全，核心技术落后碳化硅产业链健全，核心技术落后u国内产业链比较健全，基础技术（单晶，外延和国内产业链比较健全，基础技术（单晶，外延和器件）离国外有很大距离。器件）离

20、国外有很大距离。单晶：天科合达，单晶：天科合达，46所，神舟，硅酸盐所所，神舟，硅酸盐所外延：中科院，西电，外延：中科院，西电，13所，所，55所所器件：西电，器件：西电，13所，所，55所，南车所，南车封装：封装：13所，所，55所，南车所，南车电路应用：清华，浙大，南航，海军工程大学电路应用：清华，浙大，南航，海军工程大学用户：国网，南车用户：国网，南车（笔者信息有限，如有遗漏，特此致歉）（笔者信息有限，如有遗漏，特此致歉）第40页/共44页41未受到重视未受到重视u研究处于小规模和分散状态。至今还没有上马针研究处于小规模和分散状态。至今还没有上马针对碳化硅电力电子的国家科研项目。对碳化硅

21、电力电子的国家科研项目。u今年海军工程大学和国家电网先后组织过碳化硅今年海军工程大学和国家电网先后组织过碳化硅研讨会，碳化硅逐渐扩大影响。研讨会，碳化硅逐渐扩大影响。u根据国外的发展速度来看，我们现在如不下决心根据国外的发展速度来看，我们现在如不下决心投入，会失去机会。投入，会失去机会。第41页/共44页42国内发展建议：（1）尽快提高二极管器件的性能，形成小批量生产和送样能力。（2）尽快实现开关器件和高压器件的突破。要赶在国外6英寸大规模生产之前（23年）完成技术积累。国外是通过国家项目支持，然后快速产业化。我们需要国家投入，需要产学研的合作，需要材料、器件和封装产业链的合作。第42页/共44页43Thank you!第43页/共44页感谢您的观看！第44页/共44页