Kluczowe różnice między 4H-SiC a 6H-SiC i jak wybrać właściwy

Źródło

Węglik krzemu (SiC) rozwija przemysł półprzewodników i elektroniki mocy, a także zastosowania w systemach wysokotemperaturowych. Metaliczny węglik krzemu jest potrzebny do zasilania pojazdów elektrycznych, systemów lotniczych i infrastruktury energii odnawialnej, ponieważ jest jednym z najlepszych przewodników cieplnych, a także jednym z najbardziej wytrzymałych i wydajnych pod względem operacyjnym materiałów.

Niestety, nie wszystkie materiały SiC są na tym samym poziomie jakości. Ten przewodnik wyjaśni główną różnicę między materiałami 4H SiC i 6H SiC w oparciu o zastosowania i przypadki użycia. Wskażemy również, czego należy unikać, aby zwiększyć trwałość i estetykę każdego materiału. Zanurzmy się!

Czym są 4H-SiC i 6H-SiC?

Źródło

Układ atomowy węglik krzemu różni się między politypami 4H-SiC i 6H-SiC, mimo że te materiały mają wspólny skład chemiczny. Niewielka różnica w rozmieszczeniu atomów między tymi dwoma politypami generuje istotne zmiany w charakterystyce elektrycznej i ruchu elektronów oraz w charakterystyce cieplnej. Wybór materiału węglika krzemu decyduje o tym, jak dobrze falowniki mocy działają w samochodach elektrycznych i przemysłowych układach sterowania silnikami oraz systemach zasilania o wysokiej częstotliwości.

Kluczowe różnice między 4H-SiC i 6H-SiC

Źródło

Wybór właściwego materiału SiC zależy od zrozumienia odrębnych właściwości 4H-SiC i 6H-SiC. Poniższa sekcja przedstawia szczegółową analizę strukturalnych parametrów elektrycznych i termicznych pomiędzy 4H-SiC i 6H-SiC, dzięki czemu możesz wybrać idealny polityp dla swoich wymagań przemysłowych.

Struktura kryształu

Wydajność półprzewodnika zależy od rozmieszczenia atomów, które powoduje różne prędkości ruchu elektronów. 4H-SiC wykorzystuje czterowarstwowe układanie heksagonalne, podczas gdy 6H-SiC układa sześć warstw. Różne rozmieszczenia atomów między 4H-SiC i 6H-SiC powodują różnice w ruchliwości elektronów, a także w wydajności i czasie reakcji w układach półprzewodnikowych.

• 4H-SiC pozwala na osiągnięcie poziomu ruchliwości elektronów rzędu 950 cm²/V·s, co czyni go optymalnym wyborem do zastosowań ze wzmacniaczami RF i tranzystorami MOSFET.

• 6H-SiC wykazuje ruchliwość elektronów na poziomie ~400 cm²/V·s, co sprawia, że jest materiałem stabilnym, a jednocześnie odpowiednim do przemysłowych systemów sterowania mocą i zastosowań w podłożach LED, które nie wymagają szybkich możliwości przełączania.

Napięcie przebicia i przerwa energetyczna pasma

Szeroka przerwa energetyczna 3,26 eV w 4H-SiC umożliwia materiałowi skuteczne wytrzymywanie wysokich napięć i ekstremalnych temperatur. Materiał 4H-SiC znajduje najlepsze zastosowanie w inwerterach pojazdów elektrycznych i zastosowaniach elektroniki mocy w lotnictwie. Przerwa energetyczna 3,02 eV w 6H-SiC sprawia, że nadaje się on do umiarkowanych systemów energetycznych, które wymagają odporności na ciepło bez konieczności tolerancji wysokiego napięcia.

Przewodność cieplna

Ciepło generowane przez wysokowydajną elektronikę mocy wymaga wydajnych metod rozpraszania ciepła, aby zapobiec awarii. 4H-SiC wykazuje lepszą przewodność cieplną niż 6H-SiC, gdy rozpraszanie ciepła musi osiągnąć maksymalny poziom. Inżynierowie pracujący w przemyśle lotniczym opracowują wysokotemperaturową elektronikę mocy, wybierając 4H-SiC, ponieważ działa on skutecznie w trudnych warunkach operacyjnych. Systemy napędowe odrzutowe wraz z satelitami polegają na jednostkach sterowania mocą 4H-SiC ze względu na ich zdolność do niezawodnego działania w zmieniających się warunkach termicznych.

Gdzie należy stosować każdą z nich?

Źródło

Organizacje muszą wybrać odpowiedni polityp SiC pomiędzy szczytową wydajnością a nieefektywną pracą w wymagających aplikacjach o dużej mocy. Poniższa analiza zawiera szczegółowe informacje o aplikacjach 4H-SiC i 6H-SiC, które pomogą w wyborze branży.

Kiedy wybrać 4H-SiC

4H-węglik krzemu (4H-SiC) jest preferowanym wyborem w sytuacjach, w których wymagane jest doskonałe przełączanie, wysoka wydajność energetyczna i wysoka wydajność w trudnych warunkach. Ze względu na dużą przerwę pasmową i wyjątkową wydajność cieplną może być z powodzeniem stosowany w zaawansowanej elektronice mocy w wiodących branżach.

• Falowniki do pojazdów elektrycznych Tesli: Firma opiera się na MOSFET-ach 4H-SiC w swoich pojazdach elektrycznych, aby pomóc falownikom wydajniej wykorzystywać moc akumulatora. Dzięki szybkiemu przełączaniu i mniejszym stratom w 4H-SiC uzyskujesz lepszy przebieg z akumulatora, szybsze przyspieszenie i bardziej responsywną jazdę. Nowa technologia pozwala Tesli zwiększyć zarówno wydajność, jak i zadowolenie klientów EV.

• Lepsza konwersja energii odnawialnej: Wysoka wydajność konwersji mocy przy wysokich napięciach w falownikach słonecznych i przetwornikach mocy turbin wiatrowych jest możliwa dzięki 4H-SiC. Efektywność energetyczna pomaga zwiększyć to, co odnawialne źródła energii mogą produkować i obniżyć koszty, dzięki czemu producenci i konsumenci mogą cieszyć się bardziej zrównoważoną energią.

• Branże wykorzystujące automatyzację w celu oszczędzania energii: Wiele wiodących organizacji, takich jak Siemens, polega na 4H-SiC w napędach silników i przetwornikach wysokiego napięcia, aby pomóc obniżyć straty energii w automatyce przemysłowej. Dzięki temu zużycie energii elektrycznej jest mniejsze, sprzęt działa płynniej, a koszty utrzymania spadają, co wspiera zarówno środowisko, jak i fabrykę.

• Wykorzystanie wysokiego napięcia i ekstremalnych temperatur w motoryzacji i lotnictwie: Zdolność 4H-SiC do dobrej pracy przy wysokich napięciach i ekstremalnie niskich i wysokich temperaturach jest niezbędna dla elektroniki samochodowej i układów napędowych w lotnictwie. Poprawia wytrzymałość i bezpieczeństwo części, co pomaga pojazdom elektrycznym zużywać mniej paliwa i umożliwia lżejsze zastosowanie w lotnictwie.

• Samoloty elektryczne nowej generacji: Producenci samolotów elektrycznych wykorzystują 4H-SiC do projektowania lekkich, wydajnych systemów zasilania, które zmniejszają zużycie baterii i wydłużają czas pozostawania w powietrzu. Nowa technologia w lotnictwie pomaga osiągnąć zrównoważony rozwój, wspierając cichsze, dłuższe i czystsze loty zarówno dla gospodarki, jak i środowiska.

• Elektronika kosmiczna NASA: Ponieważ 4H-SiC jest wysoce odporny na promieniowanie i pozostaje stabilny w wysokich temperaturach, NASA używa go w elektronice instrumentów przeznaczonych do przestrzeni kosmicznej. Dzięki temu materiałowi kluczowe systemy są bezpieczniejsze, co umożliwia realizację projektów eksploracji kosmosu przez dłuższe okresy.

Kiedy należy stosować 6H-SiC?

Ze względu na swoje mocne, elastyczne i odporne na ciepło właściwości, węglik krzemu 6H (6H-SiC) jest powszechny w obszarach, w których wymagane są stabilne struktury, podczas gdy ultraszybkie przełączanie jest mniej ważne. Zapewnia niezawodną i ekonomiczną odpowiedź dla urządzeń, które będą używane nieprzerwanie przez długi czas, nawet w trudnych warunkach.

• Diody LED produkowane na podłożach 6H-SiC: Diody LED produkowane na podłożach 6H-SiC mają lepszą jakość kryształu, co skutkuje jaśniejszym i bardziej energooszczędnym oświetleniem i ekranami. Diody LED Donaldson są trwałe i świecą jasno, co przynosi korzyści użytkownikom elektroniki architektonicznej i użytkowej poprzez obniżenie zużycia energii i wymagań dotyczących pielęgnacji.

• Czujniki o wysokiej rozdzielczości przeznaczone do zastosowań optycznych: Dzięki 6H-SiC możemy projektować precyzyjne czujniki optyczne, które dają precyzyjne wyjście długości fali do zastosowań w badaniach, przemyśle i medycynie. Ponieważ działa tak samo pod wpływem ciepła i promieniowania, klienci mogą liczyć na czujniki w zakresie ważnych informacji podczas diagnostyki i regularnego użytkowania.

• Czujniki umieszczone w kosmosie, zbudowane tak, aby przetrwać ekspozycję na promieniowanie: Wyjątkowe właściwości czujników kosmicznych wykonanych z 6H-SiC, takie jak niskie promieniowanie i wysoka stabilność mechaniczna, zapewniają, że nadają się one do długotrwałej pracy w kosmosie. W tych trudnych warunkach kosmicznych czujniki te pomagają zapewnić poprawne i niezawodne wyniki obserwacji Ziemi, astronomii i nauk planetarnych.

• Tanie i trwałe systemy zasilania: Gdy prędkość przełączania nie jest istotna dla przemysłowych systemów sterowania mocą, 6H-SiC jest zarówno trwały, jak i tańszy. Ponieważ może działać w ekstremalnych warunkach i wysokich temperaturach, klienci korzystający z jego sprzętu korzystają z niezawodnego zarządzania energią, mniejszej liczby napraw i dłuższej żywotności swoich systemów elektrycznych.

Maksymalizacja wydajności SiC

Źródło

Aby w pełni wykorzystać 4H-SiC i 6H-SiC, konieczne jest poznanie ich mocnych stron i zastosowanie najlepszych praktyk. Inżynierowie i producenci mogą wziąć pod uwagę zarządzanie termiczne, projekt urządzenia i wymagania specyficzne dla aplikacji SiC, aby zoptymalizować wydajność SiC. Oto kilka praktycznych sposobów zwiększenia wydajności SiC:

• Wydajne wytwarzanie ciepła: Umożliwia wykazanie się znaczną generacją ciepła przy zachowaniu wysokiej niezawodności w ekstremalnych warunkach, a także jest przystosowane do intensywnego użytkowania.

• Wybierz właściwy polityp do danego zastosowania: W przypadku urządzeń elektronicznych o wysokiej częstotliwości i dużej mocy, gdzie ważna jest wydajność i szybkość przełączania, wybiera się 4H-SiC, natomiast 6H-SiC lepiej sprawdza się w zastosowaniach, w których wymagana jest stabilność strukturalna i niższe koszty.

• Zwiększ wydajność konwersji mocy: wdróż wysokiej jakości sterowniki bramek SiC i projekty obwodów mocy, które zminimalizują straty energii i w pełni wykorzystają doskonałe właściwości elektryczne SiC.

• Pomyśl o środowisku: Komponenty SiC stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i innych gałęziach przemysłu powinny być testowane pod kątem odporności na ekstremalne zmiany temperatur i naprężenia mechaniczne, co zapewni długoterminową niezawodność.

• Zastosuj zaawansowane techniki pakowania: Zgodnie z literaturą, pasożytniczą indukcyjność i pojemność można zmniejszyć poprzez zastosowanie odpowiednio zaprojektowanej obudowy, co poprawi ogólną wydajność i żywotność systemu.

Dzięki stosowaniu najlepszych praktyk w zakresie 4H-SiC i 6H-SiC przedsiębiorstwa będą mogły w pełni wykorzystać zalety materiałów 4H-SiC i 6H-SiC w zastosowaniach elektroniki mocy i półprzewodników, zapewniając wyjątkową wydajność, trwałość i opłacalność.

Wniosek

Organizacje powinny wybierać materiały SiC zgodnie z wymaganiami swojego zastosowania, ponieważ decyzja ta determinuje wydajność i niezawodność systemu, a także całkowite koszty operacyjne. 4H-SiC wyróżnia się jako najlepszy materiał SiC do wymagających zastosowań o dużej mocy i wysokiej częstotliwości, zasilających pojazdy elektryczne, przemysłowe systemy zasilania i urządzenia elektroniczne w przemyśle lotniczym.

Producenci muszą wybierać optymalne politypy SiC, aby utrzymać przewagę konkurencyjną, gdy branże dążą do poprawy wydajności i trwałości. Wybór odpowiedniego materiału SiC będzie napędzał innowacje i sukces rynkowy poprzez optymalizację mocy i postęp termiczny oraz ulepszenia trwałości komponentów w rozwoju technologii nowej generacji.