בעוד שמערכות אלקטרוניות דוחפות לסביבות קיצוניות יותר – מדוחות עמוק ועד לחשמליות של כלי רכב חשמליים – הביקוש למוליכים למחצה שיכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות יותר ללא הפחתת ביצועים מעולם לא היה גדול יותר.המכשירים מבוססי הסיליקון, התחנות של אלקטרוניקה המודרנית, גישה למגבלות הפיזיות שלהם בסביבות 150 מעלות צלזיוס, למקדמים את הטמפרטורות הסגלגלים הייחודיות שלכם, שיעור רחב של טמפרטורות גבוהות יותר של פסטורפות וטמפרטורות גבוהות יותר, אשר יכולות להיות גבוהות יותר מ- סיליקון, וטמפרטורות גבוהות יותר ממושכות יותר, וטמפרטורות גבוהות יותר, אשר יכולות להיות גבוהות יותר מ- 200 מעלות צלזיוס, וטמפרטורות גבוהות יותר, אשר יכולות אלה, הן גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, הן גבוהות יותר, והן ממושכות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, הן גבוהות יותר, והן מתחומים אלה, והן ממושכות יותר, והן מתחומים גבוהים יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, הן בטווח הארוך, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, בטמפרטורות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, הן בטמפרטורות גבוהות יותר, אשר יכולות גבוהות יותר, אשר

מה הם סיליקון קרביד (SiC) Thyristors?

Thyristor הוא מכשיר חצי-מוליכים למחצה של ארבעה-שכבות (p-n-p-n) הפועל כ מתג דו-פעף, ביצוע כאשר מופעל ונשאר תקוע עד הזרם נופל מתחת לסף מסורתי סיליקון שלך היו מרכיב מרכזי בשליטה כוח במשך עשרות שנים, בשימוש בכל דבר מכוננים מנועים ל- AC רגולטורים כוח.עם זאת, הטמפרטורה התפעולית שלהם היא מחוספסת ביסודה על ידי סיליקון צר יחסית של , 000 מעלות צלזיוס, אשר מוביל בערך 125 מעלות צלזיוס, 000-ה מעל פני שטח זרם זרם אלקטרוני של 125 מעלות צלזיוס, 000-C, 000-מטר, 000-41, אשר מוביל בערך, 000-טווח גבוה יותר ויותר גבוה יותר, 000.

Silicon Carbide thyristors להחליף את סיליקון עם גביש SiC, בדרך כלל 4H-SiC פוליטיפ, שיש לו להקות של בערך 3.26 eV. זה רחב יותר זו gap מפחית באופן דרסטי את הדור המוביל הפנימי בטמפרטורות גבוהות, המאפשר את המכשיר לשמור על זרמי דליפה נמוכה והחלפת יציב עד 300 מעלות צלזיוס או יותר, סייסטרד גבוה יותר, לעתים קרובות יותר לחץ חשמלי (ברס) עם 10 פעמים גבוה יותר, 000 לחץ חשמלי גבוה יותר, 000) עם לחץ גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 000 000 גבוה יותר, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

המבנה הבסיסי של סיג' חג המולד דומה למקביל הסיליקון שלו, אבל ההבדלים החומריים מובילים לביצועים מעולים כמעט בכל מדד: טמפרטורה הפעלה גבוהה יותר, מעבר מהיר יותר, אובדן התנהגות נמוך יותר, ונפיחות גדולה יותר נגד אירועים מתמשכים ומורכבים יותר.

תכונות חומריות שפעולות טמפרטורות גבוהות

הביצועים יוצאי דופן של סי קייסי חג המולד בסביבות חמות נובעים ישירות מהנכסים הפיזיים הפנימיים של גבישי סיליקון קרבייד.הבנת תכונות אלה מבהירה מדוע רכיבי SiC מקלקלים סיליקון ביישומים תובעניים.

Bandgap

כאמור, ה-S SiC של Bandgap הוא כמעט שלוש פעמים של סיליקון.זה אומר כי אנרגיה תרמית משמעותית יותר נדרשת כדי להצית אלקטרונים מהלהקה של valence ללהקה. at Highטמפרטורות, ריכוז של ספקים פנימיים (אלקטרונים וחורים) נשאר הזמנות של גודל נמוך יותר בסיאק מאשר בסיליקון.

המונחים:

סיC יש מוליכות תרמית של בערך 3.7 W / ס"מK בטמפרטורת החדר, הרבה מעל 1.5 W / ס"מ של סיליקון. הנכס הזה מאפשר חום שנוצר בתוך המכשיר כדי להיות מנוהל ביעילות רבה יותר לחום או החבילה.ביישומים מעבר עתירי גבוה, ההתנגדות התרמית מופחתת להפחית את טמפרטורות צומת עבור ניתוק כוח נתון, שיפור האמינות ומאפשרת שיניים גבוהות יותר בשילוב עם יכולת גבוהה יותר של סיליקון, מאשר לטמפרטורות גבוהות יותר מאשר לסיליקון גבוה יותר, סיביר.

שדה חשמלי קריטי

שדה חשמלי קריטי של SiC (שדה פורץ) הוא בערך 2.5 MV / ס"מ, בערך פי עשרה של סיליקון (0.3 MV / ס"מ) זה מאפשר למעצבי Thyristor להשתמש בשכבות סחף דקות הרבה יותר עבור דירוג מתח נתון. A 10 kV SiC Thyristor עשוי להיות סחף של 50-100 מיקרומטר, בעוד מכשיר סיליקון ידרוש כמה מאות מיקרונים.

המונחים: low Intrinsic Carrier Concentration

ב-300 מעלות צלזיוס, ריכוז המוביל הפנימי בסיצי C הוא בערך 10FLT:0903FLT:1 ס"מ:2 -3FLT 3: לעומת 1003FLT:413033:5 ס"מ LT:5 ס"מ FLT 6-3FLT 7 בסיליקון.

יתרונות מרכזיים של סיי סי סי סי סי סי סי ג'יריס בסביבה גבוהה טמפרה

בהתבסס על התכונות החומריות, SiC Thyristors לספק הטבות תפעוליות קונקרטיות שהופכות אותם הכרחיים בתנאים תרמיים קיצוניים.הנקודות הבאות מתרחבות ברשימה המקורית עם עומק טכני והקשר אמיתי בעולם.

טמפרטורה גבוהה סובלנות

בעוד שללכי סיליקון קונבנציונליים יש בדרך כלל טמפרטורת צומת מקסימלית של 125 מעלות צלזיוס-150 מעלות צלזיוס, SiC thyristors מדורגות באופן שגרתי עבור תפעול ב 200 מעלות צלזיוס, עם מכשירים ניסיוניים שהודגמו ב 350 מעלות צלזיוס ומעבר לכך, זה מקטין ישירות או מבטל את הצורך במערכות קירור פעיל - פאנס, לולאות קירור נוזליות, או תנורי חום עצומים.

שיפור היעילות וההפסדים הנמוכים

שני מנגנוני אובדן שולטים במבצע Thyristor: הפסדים התנהגותיים (המוצר של מתח על-ידי המדינה וזרם) והחלפת הפסדים (אנרגיה מתפזרת במהלך התורם וההיפוי) SiC Thyristors מפגינים נמוך משמעותית במתחים של המדינה בשל שכבות דקות יותר ושינויים גבוהים יותר של מעבר סיליקון - לדוגמה, 10 kV SiC Thyris שלך עשוי להיות ירידה מקדימה של 3.5-4.0d רק בתנאי לחץ זמני נמוך יותר - בהשוואה ל-RDrei / סיליקון / סיליקון / סיליקון גבוה יותר.

יעילות זו הופכת לחום פחות פסולת, אשר מורידה עוד יותר את הנטל התרמי על המערכת.ביישומים בעלי עוצמה גבוהה, אפילו שיפור של 1% ביעילות יכול לחסוך קילווואט של אנרגיה ולהקטין את דרישות הקירור באופן יחסי.

High Voltage and Current Handling in a Single Device

סיצי ג'יריסטורים עם חסימת מתחים של 10 kV עד 20 kV זמינים מסחרית, ומכשירי מחקר הגיעו 25 kV. להשוואה, סיליקון גבוה מעל 6-8 kV במות יחיד ודורשים ערימה של סדרות עבור מתחים גבוהים יותר, אשר מציג מורכבות ואמינות גבוהה.

מהירות מעבר מהירה

ניידות גבוהה של נושאות בסיצי C (במיוחד עבור אלקטרונים) ואת חיי נושאת המיעוט מופחת (בשל ה-Switch רחב של החומר ו-Ding מבוקר) לאפשר ל- SiC Thyriss לעבור על ומחוץ הרבה יותר מהר מאשר סיליקון שלך.זמני ההמראה יכולים להיות בטווח של 0.5-2 מיקרומטר, בהשוואה ל 5-20 מיקרופונים לתקני סיליקון דומים.

יציבות וארוכותיות בתנאים החריפים

הקשיחות המכנית של סיC וחוסר הרטנות הכימית הופכות אותו לעמיד בפני קורוזיה, נזק לקרינה, והלם התרמי. Thyristors ארוזים בדיור הקרמיקה ההרמטית יכולים לשרוד אלפי מחזורים תרמיים מ-55 מעלות צלזיוס ל-250 מעלות צלזיוס ללא השפלה.המכשירים הללו קריטיים בחלל, צבאי וסביבות תעשייתיות שבהן תחזוקה מוגבלת וכישלון אינה מקובלת, בנוסף להיעדר אמינות גבוהה (בדומה) בטמפרטורות נוספות.

יישומים של SiC Thyristors בסביבה גבוהה טמפרה

בעוד ש-SC Thyristors עדיין יקר יותר מאשר סיליקון עמיתיהם, היתרונות שלהם מצדיקים אימוץ במספר מגזרים מרכזיים.למטה הם מבט מפורט על שלושה אזורי יישום שבהם ניתוח עתיר גבוה הוא נהג ראשוני.

כלי רכב חשמליים ו- On-Board Chargers

כלי רכב חשמליים מודרניים (EVs) דורשים אלקטרוניקה כוח שיכול להתמודד עם מתחים גבוהים (400 V ו-800 V פלטפורמות) ולפעול בסביבות מתחת למכסה. SiC Thyristors משמשים יותר ויותר inverters, DC-DC ממירים ומערכות ניהול סוללות.היכולת שלהם לפעול בטמפרטורות של 175 מעלות צלזיוס-200 מעלות צלזיוס מאפשרת להם להיות ממוקמים קרוב יותר לסוללה או ללא דר, צמצום כבל ומהירות של 5.

אווירי והגנה: מנועים-הרף אלקטרוניקה

מנועי מטוסים ויחידות כוח עזר (APUs) פועלים בטמפרטורות קיצוניות, לעתים קרובות מעל 200 מעלות C ליד הליבה המנוע. סיליקון סיליקון אלקטרוניקה דורש מערכות קירור מפורטות אשר מוסיפים משקל ומורכבות. SiC Thyris thyris, לעומת זאת, ניתן לרכוב ישירות על גבי ציוד מנועים, החלפת כוח למערכות טיהור, וחיישנים ללא קירור פעיל של חיל האוויר של ארה"ב ו נאס"ב נאס"ב מממן מחקר ל-C עבור מערכות יעילות גבוהה יותר, כולל מחסומים חשמליים, כולל למערכות דלק חשמליות גבוהה יותר, כולל למערכות דלקים של מערכות דלקות גבוהה יותר, כולל מנגנוני ייצוב של מערכות לחץ אווירי C.

כוח תעשייתי מפצה ונהגי מנוע

בתעשיות כבדות כגון כרייה, ייצור פלדה, עיבוד כימי, כונן מוטורי וציוד כוח ממוקמים לעתים קרובות בסביבות חם, אבקה. SiC Thyristors לאפשר מערכות אלה לפעול עם תשתיות קירור מופחת, הורדת עלויות ההתקנה ותחזוקה.לדוגמה, ציוד חימום עתיר גבוה יכול להשתמש סיאק thyris כדי לשלוט באספקת חשמל בעשרות קילוהרץ, שיפור אחידות וצמצום אנרגיה בינונית (כלומר, ייצוב), 6.9 כוננים קירור ישיר של סגסוגת קירור (C2.3 שלך, ללא סגסוגת קירור) סגסוגת קירור, ללא סגסוגת קירור, ללא סגסוגת קירור, ללא סגסוגת קירור מורכבת, סגסוגת).

אתגרים ושיקולים לאימוץ

למרות היתרונות הרבים שלהם, סיאק חג המולדים הם לא תחליף לירידה לכל יישום עתיר רוח גבוהה.יש לשקול כמה גורמים טכניים וכלכליים.

עלויות התקן גבוהות יותר

SiC wfers יקרים יותר לייצר מאשר סיליקון, ואת תהליך הייצור (כולל אפיטקסי עתירי, גירוד, ליתוגרפיה) הוא פחות בוגר. A SiC Thyristor עשוי לעלות 5-10 פעמים יותר מאשר סיליקון סיליקון של דירוג דומה.עם זאת, חיסכון ברמת המערכת מירידה, יעילות גבוהה יותר, פחות מרכיבים יכולים להסתתחיל את האפליקציות רבות וקוטר, כמו גם עלייה מתמדת של עלויות הייצור.

אריזה וחיבור

הטמפרטורה התפעולית המקסימלית של האסיפה סי-C Thyristor מוגבלת לעתים קרובות לא על ידי המתים עצמם, אבל על ידי חומרי האריזה. Standard Solder מפרקים, אג"ח חוט, ו encapsulants degrade מעל 200 מעלות צלזיוס חבילות מתקדמות באמצעות כסף מחטא, תת-שכבות קרמיקה (אלן, ב) ואת החותמת ההרמטית נדרשים לנצל באופן מלא את יכולת הטמפרטורה של SiC אלה.

שער והגנה

סיצית חג המולדים דורשים מעגלים הנעה בשער המסוגלים לספק זרמי שיא גבוהים (מפרים משניים) עם זמני עלייה מהירים. חיי נושאת המיעוט התחתון בסיציC גם אומר כי רווח הפוך השער עשוי להיות נמוך יותר מאשר בתקני סיליקון, ניכוי מעגלים מתוחכמות יותר. overvoltage הגנה, עיצוב נחירות, זיהוי תקלות חייב להיות נמוך יותר מאשר התקנים מהירים יותר, אשר יכול לייצר הפרעות אלקטרומגנטיות כראוי.

תחזית לעתיד והמשך R&D

קצב התפתחות סי-C Thyristor התגבר בעשור האחרון, מונע על ידי הביקוש התעשייתי והן מימון ממשלתי ליעילות אנרגיה. חוקרים במוסדות כגון FLT:0 (כיום וולפאט)FLT:1 ואוניברסיטת ארקנסו עובדים על שלךריסים עם חסימת מתחים מעל 20 kV וטמפרטורות תפעול מעבר 350 מעלות צלזיוס.

כיוון מבטיח נוסף הוא פיתוח של כמרים על-פני סי.ק, אשר יכול להפחית את ההתנגדות על-ידי המדינה עוד יותר על ידי שילוב עמודי p-n אנכיים.אינטגרציה של סי.סי. שלךריס עם מעגלים מבוססי סיליקון (באמצעות שילוב heterogeneous) יכול לשלב את הטוב ביותר של שני החומרים.

ככל שהאנרגיה המתחדשת וההתחבורה החשמלית ממשיכות להתרחב, הצורך במוליכים למחצה בעוצמה גבוהה ועוצמתיים רק יגדל.סי.מקראים ממוקמים כדי להפוך לבלוק בניין סטנדרטי באלקטרוניקה הכוח של 2020 ומעבר.

מסקנה

סיליקון Carbide thyristors מייצגים התקדמות גדולה בטכנולוגיה של מוליכים למחצה כוח, במיוחד עבור יישומים כי חייב לפעול באופן אמין בסביבות עתירי זמן גבוהה. שלהם רחב Bandgap, מוליכות תרמית גבוהה, וכוח שדה חשמלי גבוה יותר מאפשר מכשירים לסבול טמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס, לעבור במהירויות שאינן ניתנות להשגה על ידי סיליקון, ומטפלים במתחים של מעל 10 kV עם הפסדים נמוכים יותר, בעוד עלות ואריזות, נשארות, עדיין יתרונות סטנדרטיים, כמו גם יעילות תעשייתית, כמו גם חסכונית גבוהה יותר, נהיגה גבוהה יותר, כמו גם אלקטרוניקה גבוהה יותר, כמו גם חסכונית, כמו גם חסכונית, כמו גם חסכונית, חסכונית, אלקטרוניקה גבוהה יותר, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, נהיגה אלקטרוניקה גבוהה יותר, כמו גם חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית, חסכונית,