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  • 从电动汽车续航痛点到安全挑战 SiC功率元器件的作用逐渐在显现

    从电动汽车续航痛点到安全挑战 SiC功率元器件的作用逐渐在显现

    动力电池是新能源汽车的核心能量源。为保障电池高效、可靠、安全运行,需要通过电池管理系统(BMS)对动力电池进行实时监控、故障诊断、SOC 估算、短路保护等,并通过 CAN 总线与车辆集成控制器进行信息交互。BMS 在业内被称为电动汽车动力电池系统的“大脑”,与动力电池、整车控制系统共同构成了电动汽车的三大核心技术。 《中国 BMS 电池管理系统市场研究报告告(2019 版)》显示,BMS 最核心的三大功能为电芯监控、荷电状态(SOC)估算以及单体电池均衡。BMS 监测到单体锂电池芯的工作温度和电量,并自动采取措施均衡单体锂电池芯的充放电电流和防止过温现象发生。能使电动汽车动力电池在各种工作条件下获得最佳的性能、最长的使用寿命,是发展电动汽车的关键技术之一。 但是 BMS 同时面临整合优化、小型化、电流精度提高等问题,在与非网策划的《BMS的新使命》专题中,我们邀请到罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心助理经理林其锋先生进行讨论。 电动汽车续航和充电问题如何双解? 相对于燃油汽车,续航里程短、充电时间长一直是电动汽车的痛点,BMS 从哪些方面可以改善电动汽车的续航里程和充电时间?林其锋对与非网表示,“BMS 负责实时监控电池的状态。对于改善续航里程来说,其中一个方法是通过提高 BMS 的监控精度来有效地利用有限的电池容量。罗姆开发了一种用于监控流入流出电荷量的库仑计数器 IC。使用这种库仑计数器 IC,可通过高精度的模拟电流检测和利用硬件进行的实时电流计算,将电流积分精度从以往的±5%提高到±1%,这将非常有助于改善电池容量的估算精度。” 另外,对于改善充电时间方面,林其锋认为,提高电池电压是近年来的一个趋势。电池电压从原来的 400V 提高到 800V,提高了 2 倍,这可以显著缩短充电时间,因此也就要求配置于 BMS 的控制用功率元器件(以往的 MOSFET 和 IGBT 等)也要提高耐压性能。罗姆提供的 SiC 功率元器件,不仅耐压高达 1000V 以上,而且产品特性受温度影响极小,非常有助于提高电池的电压。 有效解决电动汽车安全挑战,SiC功率元器件的作用在显现 随着电动汽车的普及度增高,电动汽车的安全问题越来越受到用户关注,尤其是在电池监控方面,芯片厂家和方案厂家都在尽力通过技术手段实现更高精准度的实时监控。BMS 不仅负责防止电池出现异常电压、异常电流、异常温度等情况,而且,作为最后一个要塞,它在安全隔离电池和电机等应用(负载)方面也发挥着重要作用,在 xEV 等的电池外围,使用机械继电器来关闭电源。而机械继电器存在机械部分的磨损带来的故障问题,因此,未来有望由 SiC 功率元器件带动半导体继电器的普及。采用半导体继电器,不仅可以避免磨损故障,同时还可以在发生过电流时快速关闭电源,从而能够更安全地使用电池。 林其锋介绍,罗姆一直在开发 BMS 用的产品,比如以 SiC 为首的功率元器件和电流检测用的电阻器等,以及小信号分立元器件、驱动控制用微控制器的电源 IC 等。未来,罗姆还将推出支持多节串联电池的产品,继续提供最适合包括新一代电池在内的各种电池的 BMS 解决方案。 当然电动汽车的 BMS 也存在两个课题,一个小型化课题,一个是提高电流检测精度的课题。罗姆在两个方面都有所涉及,针对精度的提高,利用前面提到的罗姆开发的库伦计数器 IC 来统计流入流出的电荷量,能够将电流积分精度从以往的±5%提高到±1%,可以实现更高精度的电流检测;针对小型化问题,例如随着串联电池节数的增加,用于各节电池电量均衡的电阻数也随之增加,这就亟需一种解决方案。罗姆开发的支持大功率的长边电极结构的贴片电阻器 LTR 系列,散热性能更加优异,而且与以往产品相比,安装面积仅需要 1/4 左右。 BMS整合优化持续进行,电池寿命有望得到改善 在未来,BMS 依然需要整合和优化,林其锋提出另一种解决方案,他认为,有效使用电池的另一个课题是电池组的形状。例如,EV 需要能够安装在有限的空间中,并且能够适用于各种车型的电池形状。作为其解决方案,BMS 呈现无线化趋势。无线 BMS 能够使更改电池布局变得更加容易。 电池寿命一直是电动汽车面临的重要课题,要想延长电池寿命,准确监控电池的使用环境是非常重要的因素。这就需要能够高精度地检测电压、电流、温度等参数的技术。另一个方法是改善连接电池的逆变器的负载效率。比如,在逆变器中采用罗姆提供的 SiC 功率元器件,与采用 Si-IGBT 相比,一般能提高效率达 8%左右。将电池的重量减轻 8%也能够行驶相同的距离,因此有望通过减轻车辆重量来改善效率。 林其锋强调,“作为供应功率元器件、LSI、电阻器、小信号分立元器件等众多元器件的综合性半导体制造商,罗姆可以提供解决客户课题的最佳解决方案。罗姆将通过提高电子元器件技术,继续助力 BMS 提高电池的性能与品质。”

    时间:2020-05-06 关键词: 电动汽车 sic 功率元器件

  • SiC酷在哪里?如何做最酷的SiC?

    SiC酷在哪里?如何做最酷的SiC?

    硅是半导体产业的代表元素,作为最基础的器件原料,硅的性能已经接近了其物理极限。近年来随着电动汽车、5G的新应用的普及,对于功率器件的性能提出了更高的要求。例如GaN、砷化镓和SiC(碳化硅)等新材料半导体器件已经成为了行业内备受关注的产品。 在整个功率器件市场上,英飞凌是市占率最高的供应商。目前英飞凌已经形成了三条“cool”系列的产品线:coolSiC,CoolGaN和CoolMOS。三条产品线相互补充,为功率市场提供了完整的解决方案。近期收到疫情影响,全新的650V SiC产品的发布会改为线上召开,英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源先生,针对SiC市场和新产品技术进行了精彩的分享。 SiC的酷在何处? 据陈清源先生介绍,与传统硅器件相比,SiC的带隙部分是硅材料的大概三倍。所以我们通常将这类器件称之为宽禁带半导体。在单位面积的阻隔电压能力方面,SiC是硅器件的大概7倍。电子迁移率的差距并不大,但是SiC器件的热传导能力是硅芯片的3倍多;电子漂移速度也是硅器件的2倍以上。 “传统的硅器件,产品范围最广,开发时间最久,性价比最高。从性价比的角度出发,硅是首选。”陈清源先生说道,“GaN器件的效率最高、功率密度最大、切换速度最快(MHz级),所以是中低压高性能应用的首选。SiC类功率器件的开关频率比GaN的要慢(kHz级),但SiC适用的电压范围从650V到3.3kV都可以,优势在于易用性和耐高温性能都相对较好。” 如何做业界最“酷”的SiC产品? 我们从英飞凌最新发布的650V CoolSiC MOSFET,来给大家展示一下,英飞凌是如何做出最“酷”的SiC器件的。 “最完整的SiC技术” CoolSiC系列产品提供了完整的产品图谱来供客户选择,从静态导通电阻的角度来看提供了从27 mΩ到107 mΩ的四款产品,未来也会推出更多封装的形式。在可靠性方面,为了防止“误导通”,英飞凌将V(GS)的设计为4V以上,这样可以免除一些噪音的误导通。在一些特殊的拓扑(例如CCM图腾柱)中,优化了硬换向的体二极管,跟既有的硅体二极管的能力差异明显。另外,为了让传统硅器件的工程师更容易上手SiC的产品,尹飞凌将V(GS)的电压范围也放宽了,在0V电压即可关断V(GS),这样就不会产生负压。这样就不会给整个电路造成负担,给设计人员带来额外的设计的压力。 “沟槽式工艺是未来趋势” 同样的SiC的产品,在保证同样高可靠性的条件下,沟槽式的性能比平面式的更好。未来将SiC这种新材料的性能发挥到极致,英飞凌的CoolSiC系列的产品,一直以来采用了这种沟槽式的加工工艺。据陈清源介绍,传统的平面式的器件在导通状态下,性能和栅极氧化层的可靠性之间要做很大的折衷;沟槽式更容易达到性能要求而不偏离栅极氧化层的安全条件。沟槽式的技术虽然很多家都在做,但是英飞凌已经积累了二十多年的CoolMOS技术,这些技术积累可以确保采用沟槽式的SiC器件在生产良率和可靠性方面都可以维持较高的水准。 持续的高研发资本投入 SiC的市场上,最近已经涌现出了很多的国内外的厂商,他们提供的产品或是具有较好的性能,或是价格极具竞争力。而对于英飞凌而言,SiC是一个长期的布局,从过去几年到未来,英飞凌将持续不断地进行研发资本的投入。因为英飞凌的功率产品线覆盖面比较广,而且在Si的领域已经积累了20多年的经验和销售渠道,所以其实在别的产品线上获得收益也可以用来补充SiC产品线的研发成本的投入。SiC产品的未来的高市场增长率是明确的,所以英飞凌将其视为是一场马拉松,将会持续不断地进行研发工作的投入。一些新晋厂商和小厂商在这方面相比英飞凌有着不小的差距,既要盈利,又要确保新产品的持续研发,保证不出局,还是很有压力的。 以一个数据中心PSU电源的应用来举例(见下图),如果要达到96%的效率,则其可以采用CCM图腾柱和硅的LLC软开关两种结合的方案;如果要将效率提升到98%,则可以采用PFC+SiC的LLC的设计,因为这个SiC的器件的效率是99%,比Si MOS的LLC的效率高,所以整体的PSU电源的效率最终可以提高到98%的水平。所以对于客户而言,选择一个既有硅产品、又有SiC产品线和GaN产品线的供应商而言,在其进行设计的升级的时候可以提供更多的方面,保证自己的设计具有一定的弹性。 SiC产品的市场需求目前非常大, 根据IHS的预估,今年会有近5000万美元的市场份额。再往后到2028年,市场份额会达到1亿6000万美元。市场的蓬勃发展,带来了更多的机遇,未来英飞凌也会持续投入,推出更多的SiC的新品,让我们拭目以待。

    时间:2020-04-26 关键词: 英飞凌 碳化硅 sic 宽禁带

  • 三安集成为宽禁带电力半导体产业发布全新升级生产平台

    美国加州桑尼维尔, April 21, 2020 (GLOBE NEWSWIRE) -- 三安集成电路有限公司(Sanan IC),拥有先进化合物半导体制造平台的世界级晶圆工厂,今日宣布,在其不断扩展的业务中,将对全世界开放其先进的宽禁带电力电子代工服务将,其中包括650V和1200V SiC器件和650V HEMT功率器件的加工服务。 “三安集成母公司三安光电有限公司,拥有非常丰富的化合物半导体生产经验,这促使我们为电力电子产品建立属于自己的宽禁带半导体生产线,”三安集成的CEO, Raymond Cai 说道,“并且,我们意识到电力电子产业需要尖端的加工服务。三安集成有能力为高速发展的电力电子市场提供一个综合性平台,给予无与伦比的服务和安全质量保障,协助客户进行样品生产或低门槛量产。” 根据Yole分析报告,GaN电力电子市场在2017-2023年间,预计将以55%的年复合增长率速度发展。另一份Yole市场技术报告指出,SiC电力电子市场2018-2024的年复合增长率将达到29%。 随着GaN和SiC的解决方案分别在智能手机和大数据领域大放异彩,这两项技术已经被电力电子器件行业认可,用于系统设计重塑。三安集成致力于推动GaN和SiC技术革新,提供综合性的电力电子代工服务,拥有丰富的大规模生产经验,承诺以高安全质量标准。在以下应用领域,三安集成是您成功道路上的理想合作伙伴: ·EV & HEV ·UPS with PFC ·充电器和电池续航 ·光伏逆变器和能源存储 ·发动机驱动 在2019年6月,三安集成发布了G06P111, 一项复合JEDEC标准的650V强化HEMT GaN制程技术。此后,三安集成研发了数款用于GaN代工的MPW。使用三安集成的制程设计组件和e-加工服务,设计师可以体验模拟GaN器件的设计和表现,在大规模量产前确保设计无误。 今年,公司计划提供更广泛的基础产品MPW流片,包括200V和100V的低压E-HEMT加工服务和高电流M3加工。更多的基础研发计划,包括GaN集成电路和高可靠性D-MISFET,将在下半年开展。 三安集成的生产管理系统已经获得了数个国际证书的认证,包括 IATF 16949:2016, ISO 9001:2015和ISO 27001:2013,意味着公司严格的信息安全规程和知识产权保护的客户承诺。为了使客户的产品更快进入市场,三安集成同时提供前期产品开发的一站式服务,包括背铜工艺、背磨工艺、背面金属和切割工艺、电路测试和开放式引线框架的标准塑料封装。

    时间:2020-04-22 关键词: 晶圆 sic 代工服务

  • 世强再添SiC顶尖品牌UnitedSiC,提供可直接替代Si器件的SiC FET免费样品

    世强再添SiC顶尖品牌UnitedSiC,提供可直接替代Si器件的SiC FET免费样品

    据消息称,美国专业功率半导体制造商UnitedSiC与拥有50万工程师用户的世强元件电商合作。其全线SiC产品已上线世强元件电商平台,包含各种创新的碳化硅场效应晶体管(FET)、碳化硅结型场效应晶体管(JFET)和碳化硅肖特基二极管(Schottky Diode)等功率半导体器件,能够为电动汽车充电器,DC-DC转换器,牵引变流器以及服务器电源、变速电机驱动器和太阳能逆变等应用提供业界最佳的系统效率和性能。 UnitedSiC是全球唯一一家拥有同时兼容SiC和Si驱动的SiC FET制造商,拥有7-400mOhm的业界最广泛SiC分立晶体管产品及独特的堆叠式共源共栅(cascode)技术。基于此技术,无需改变栅极驱动电压,即可通过采用UnitedSiC FET替换已有的Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET或硅超级结器件,显著提高系统性能,实现更低的导通和开关损耗,增强热性能,并集成有栅极ESD保护。 目前,工程师可在世强元件电商平台查看UnitedSiC所有的产品信息、选型指南、设计指南、应用方案等资料,并提供免费下载,一键发送至邮箱等服务。如对上述产品感兴趣,请点击:立即申请样品,100%保证原厂正品,同时保证提供最具竞争力的代理商价格。 针对工程师研发需求,世强拥有数百位在功率半导体领域工作十年以上的技术专家,将帮助工程师快速完成SiC器件的产品选型,免费提供服务,48小时内响应。

    时间:2020-04-20 关键词: sic 世强元件电商 unitedsic

  • 韩国三星,现代,LG等SiC供应商,世强再添第三代半导体功率器件品牌美浦森,提供免费样品

    韩国三星,现代,LG等SiC供应商,世强再添第三代半导体功率器件品牌美浦森,提供免费样品

    据消息称,已成功授权代理200家全球顶级半导体品牌的世强元件电商再添第三代半导体功率器件品牌,授权代理全球SiC MOSFET顶尖制造商美浦森(Maplesemi),持续为平台50万工程师用户提供SiC不同品牌选择。 美浦森拥有东亚地区唯一的PLANNER 8英寸晶圆生产线,月产能高达12000片,产品覆盖高中压MOSFET、超结MOSFET及碳化硅器件等。其中,其VDMOSFET和碳化硅产品已获韩国政府60多项技术专利,至今仍备受韩国三星电子、现代汽车、LG电子等知名企业青睐。 目前,美浦森的高压MOSFET、超结MOSFET、碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等全线产品均已上线至世强元件电商平台,工程师可免费查看所有产品的选型指南、数据手册、应用笔记等技术资料,如对上述产品感兴趣,请点击:申请免费样品 世强元件电商作为近200家全球顶级半导体品牌授权一级代理商,已成功代理ROHM, CALY, EPC, UnitedSiC, Innoscience等多个SiC/GaN顶级品牌,通过此次与美浦森合作,将进一步扩充平台现有SiC器件产品选择,为逆变器、镇流器、适配器、充电器、PC电源、电视机电源、电焊机电源等领域提供更专业的SiC器件应用方案。

    时间:2020-04-14 关键词: 三星 sic lg 现代

  • 实现SiC器件与高速电机、电控系统的全方位优化、匹配,追求最佳效率、功率密度及可靠性,满足工业和新能源汽车应用的更高需求

    比利时·蒙 - 圣吉贝尔和中国·武汉 – 2020年3月30日 – 各行业所需高温半导体解决方案的领导者CISSOID日前宣布:公司已与华中科技大学电气与电子工程学院达成深度战略合作协议,双方将携手研发针对碳化硅(SiC)功率电子应用的全方位优化、匹配的电机和电控系统,以充分发挥SiC器件的高频、高压、高温、高效率、高功率密度等性能优势,更好地满足工业和新能源汽车应用的广泛需求。 近年来,为了追求更高的转换效率和功率密度,在工业和新能源汽车等领域,系统设计师们逐步开始采用SiC器件替代传统的、基于硅(Si)工艺的IGBT器件。然而,这种替代目前仍然处于早期阶段,在大部分应用中,包括SiC功率模块及电力驱动总成,依然在借用原有的、继承自IGBT部件的构型设计。例如,在新能源汽车电驱动系统中使用SiC MOSFET时,多数方案仍在沿用IGBT功率模块的封装形式,以及沿用较大体积的总线电容、水冷系统;在动力输出方面,则沿用了适配IGBT较低开关频率的低速电机和变速箱(特斯拉的Model 3型新能源汽车甚至釆用了分立器件封装形式,而不是整合的功率模块封装)。这些情况,显然束缚了整个动力驱动总成效率的提升,影响了SiC MOSFET性能优势的充分发挥。 为了解除这些束缚,使得SiC功率器件能够充分发挥其卓越的性能优势(高频、高压、高温、高效率和高功率密度),有必要将SiC功率模块与电机、电控系统进行全方位的匹配,以使整个动力驱动系统获得最佳的优化。此次CISSOID与华中科技大学电气与电子工程学院的强强联手,正是要发挥合作双方各自的优势能力,开展前沿技术的研究开发。合作的重点包括: ·研发适用于SiC较高开关频率的小型高速电机,及对应的变速箱; ·研发匹配SiC特点的小型、耐高温的功率模块封装,并在模块内部芯片布局的设计上,努力减小模块自身的寄生电感; ·釆用CISSOID的耐高温门级驱动IC设计SiC 功率驱动方案,并合理布局,尽可能缩小SiC驱动与功率模块之间的安装距离,以求实现驱动回路的寄生电感最小化; ·从整机规划入手,采用较小的总线电容和冷却系统,实现智能功率模块、控制器、总线电容和冷却系统的高整合度,实现小型化,显著提高动力总成的转换效率和能量密度。 “无论是在研究还是在实际工业应用中,业界一直都在追求电机和电气的完美整合。如今,工业和新能源汽车技术正在快速发展,大规模的电机和电气应用将牵引、推动这一追求达到极致。”华中科技大学电气与电子工程学院孔武斌副教授表示。“目前,基于高可靠性SiC器件的应用在匹配电机的电气设计方面已有很大改善;但业界原有的、基于硅器件的门级驱动,可靠性等方面还相对较弱,这已成为了实现高水平应用的瓶颈。CISSOID的高温半导体芯片和封装技术,及其在石油、航空航天等高端应用领域所积累的高可靠系统设计经验,将极大地帮助我们实现完美的电机和电气一体化设计,满足未来工业及新能源汽车领域的更高需求。” “我们很高兴能与华中科技大学电气与电子工程学院展开合作;该学院是中国一流的科研机构,拥有完备的科研创新平台,承担了多批国家重要研究项目,并持续推动电机与电气技术向前发展,以及在工业、汽车及航空航天领域进行广泛应用。此次双方开展研发合作,将会针对SiC功率电子应用,开发出完全匹配、且经过全方位优化的电机和电控系统,旨在为工业应用,特别是新能源汽车应用提供更为优秀的产品。”CISSOID首席执行官Dave Hutton先生表示。“CISSOID一直都十分注重与中国半导体产业的融合发展,我们已经融入了来自中国的投资,并已在芯片制造、封装测试等方面与中国公司进行了广泛的合作。此次与中国的一流科研机构合作,则进一步凸显了CISSOID力求广泛融入中国半导体产业生态的战略。” 根据中国汽车工业协会发布的数据,继2018年之后,2019年中国新能源汽车产销量再次双双突破120万辆,分别为124.2万辆和120.6万辆。新能源汽车的发展持续处于高位,使得SiC功率器件得到了越来越多的重视和应用。但是,随着功率半导体的平均结温不断上升,在大量应用SiC功率器件的同时,如何通过耐高温驱动器提供良好配合,就变得异常重要。此次CISSOID公司和华中科技大学电气与电子工程学院开展合作,正是要利用业界领先的耐高温驱动器件,为SiC功率组件提供支持,实现电机与电控系统的完美匹配和全面优化,进而获得最佳的效率和功率密度。未来,合作双方将携手推出高可靠性的解决方案,包括高质量的、优化的SiC智能功率模块(IPM)和拥有最佳匹配性能的电机、电控系统参考设计,以助力中国工业和新能源汽车领域加速发展。

    时间:2020-03-30 关键词: 新能源汽车 sic 电控系统

  • 电路中的碳化硅

    电路中的碳化硅

    什么是SiC?它的作用是什么?SiC材料在能源解决方案中的应用正在汽车和工业市场中加速发展。制作碳化硅(SiC)晶圆比制作硅晶圆要复杂得多,并且随着对SiC器件需求的增加,制造碳化硅(SiC)器件的公司不得不确定SiC晶圆的来源。 例如,Rohm和STMicroelectronics最近签署了一项多年协议,根据该协议,SiCrystal(属于Rohm Group)将向STMicroelectronics提供超过1.2亿美元的150mm SiC晶圆。 SiCrystal将向ST提供单晶碳化硅晶片衬底(图1)。为什么这个这么重要?因为SiC的特性特别适合用于电动汽车,快速充电站,可再生能源和各种工业应用中的各种功率组件和设备。 碳化硅在能源方面具有许多优势,这就是为什么碳化硅及其表亲GaN一直并将成为新功率电子器件开发中关注的焦点。它们是主要的宽禁带(WBD)半导体材料。 SiC能够承受更高的电压,比典型的硅高出十倍。这意味着可用于高压电子应用的串联组件更少,从而降低了复杂性并降低了系统成本。 SiC SBD(肖特基势垒二极管)已经在半导体行业取代了硅。 GaN可能是特定市场的强大竞争对手。带有SBD的逆变器大大降低了恢复损耗,从而提高了效率。电源设计必须牢记几个要求,包括空间和重量,这些要求与效率一起发挥重要作用。SiC-SBD越来越多地应用于开关电源中的功率因数校正器(PFC)电路和次级侧桥式整流器。 Rohm SiC-SBD的产品组合包括600V和1200V模块,额定电流范围为5A至40A。 常规功率电子设备的效率无法充分利用半导体的全部品质,而热量形式的效率损失约为15%。由于其物理特性,SiC半导体材料具有满足这些市场趋势要求的巨大潜力。较低的损耗对应于较低的热量产生,这反映在更直接、更便宜、更小、更轻的冷却系统中,因此,功率密度也更高。低开关损耗允许增加开关频率并减小元件尺寸。尺寸的减小或多或少与频率的增加成正比。 SiCrystal GmbH全球销售和营销负责人MarkusKrämer表示:“基于电动汽车的应用场景,汽车制造商对电力电子系统提出了各种要求。其中包括,例如耐温度变化、抗振动,在不同温度下的操作可靠性以及长寿命。 他继续说:“此外,汽车制造商已经认为集成系统对高功率密度的要求是不言而喻的。此外,整个系统的成本以及在产品设计阶段所付出的努力都应保持在较低水平,同时还要保证产品质量和操作安全性。所有这些观点以及我们目前认识到未来几年SiC产品需求强劲增长这一事实表明,我们需要为客户提供高质量的基材。该协议证实,从SIC基板到组件和模块的供应链必不可少,”Krämer说。 随着时间的流逝,众所周知,硅可能会逐渐被淘汰。 SiC显然比硅具有许多优势,但在成本和生产工艺方面仍需要改进。市场需要高效的设备,这些设备必须能够处理高电压和高电流,并且能够在比硅更高的温度下工作。新兴行业强烈需要SiC和GaN。 从2019年到2025年,全球碳化硅市场预计将以15.7%的复合年增长率增长。该产品在电力电子领域(尤其是在电动汽车领域)的越来越多的使用有望维持更为显着的增长。“ 2020年1月,SiC的市场规模约为4.08亿欧元。我们预计市场将进一步增长,因此将为SiC的扩展做出巨大贡献。此外,我们坚信,随着SiC市场的增长,8英寸市场将加速发展。”以上就是SiC的相关解析,希望能给大家帮助。

    时间:2020-03-28 关键词: sic gan 宽禁带

  • SiC MOSFET在汽车和电源中的应用

    SiC MOSFET在汽车和电源中的应用

    科学技术的不断发展推动者电子元器件的不断革新,传统硅基MOSFET技术日趋成熟,正在接近性能的理论极限。宽带隙半导体的电、热和机械特性更好,能够提高MOSFET的性能,是一项关注度很高的替代技术。商用硅基功率MOSFET已有近40年的历史,自问世以来,MOSFET和IGBT一直是开关电源的主要功率处理控制组件,被广泛用于电源、电机驱动等电路设计。 不过,这一成功也让MOSFET和IGBT体会到因成功反而受其害的含义。随着产品整体性能的改善,特别是导通电阻和开关损耗的大幅降低,这些半导体开关的应用范围越来越广。结果,市场对这些硅基MOSFET和IGBT的期望越来越高,对性能的要求越来越高。 尽管主要的半导体研发机构和厂商下大力气满足市场要求,进一步改进MOSFET/ IGBT产品,但在某些时候,收益递减法则占主导。几年来,尽管付出投入很大,但成效收获甚微。技术和产品最终发展到一个付出与收获不成正比的阶段,并不罕见,这是在为新的颠覆性方法和新产品问世奠定基础。 对于MOSFET器件,这个颠覆性技术创新周期是开发和掌握新基础材料的结果。与基于纯硅的MOSFET比较,基于碳化硅(SiC)的MOSFET的性能更胜一筹。 请注意,本文对比测试所用产品不是研发样品或演示原型,而是已经商用的基于SiC的MOSFET。 作为一个重要的快速发展的应用领域,电动汽车和混动汽车(EV/HEV)的发展受益于MOSFET技术进步,反过来又推到了MOSFET的研发制造活动。不管消费者是如何想的,这些满载电池的汽车不只是一个大型电池组连接数个牵引电机那样简单(混动汽车还有一个小型汽油发动机给电池充电),而是需要大量电子模块来驱动系统运行,管理设备,执行特殊功能,如图1所示。 电动汽车和混合动汽车所用的功率开关转换系统包括: ·轮毂电机牵引逆变器(200 kW/最高20 kHz); ·交流输入车载充电器(20 kW/50 kHz-200 kHz); ·选配快速充电功能(50 kW/50 kHz-200 kHz) ·辅助功能电源:中控台、电池管理控制、空调、信息娱乐系统、GPS、网络连接(4 kW/ 50 kHz-200 kHz量级) 为什么要注重能效? 续航里程显然是消费者选购电动汽车和混合动汽车的重要考虑因素之一。逆变器的性能提高幅度即便很小,也能导致消费者能够看到的汽车基本性能指标明显提高。 但是,要求高能效的不止于这一个因素,还有多种其它因素: ·降低工作温度,提高可靠性; ·降低热负荷,减少通过散热器、散热片、冷却液和其它技术散发的热量; ·减少充电时间和基本用电量; ·由于工作温度较高的系统固有的要求和限制,整体封装需要具有更大的灵活性; ·更加轻松地符合法规要求。 SiC应对挑战 幸运的是,SiC提供了一条通向更高能效以及提高相关性能的途径。在结构和性能上,SiC MOSFET与主流的纯硅MOSFET有何不同?简而言之,SiC MOSFET是在SiC n +衬底上加一个 SiC n掺杂外延层(又称漂移层),如图2所示。关键参数导通电阻RDS(ON)在很大程度上取决于源极/基极和漂移层之间的沟道电阻RDrift。 图2:不同于纯硅MOSFET,SiC MOSFET在n +型 SiC衬底上面制作一个碳化硅外延(漂移)层,源极和栅极置于SiC漂移层顶部。 当RDrift值给定,结温是25?6?2C时,SiC晶体管裸片实际面积是硅超结晶体管裸片面积的几分之一,如果使两个管子的芯片面积相同,那么SiC晶体管的性能要高出很多。另一个比较SiC和硅的方法是用大家熟悉的品质因数(FOM),即RDS(ON) ×芯片面积(品质因数越低越好)。在1200V阻断电压下,意法半导体的SiC MOSFET的FOM值很小,约为市面上最好的高压硅MOSFET(900V超结管)的十分之一。 与牵引逆变器常用的硅基IGBT相比,SiC MOSFET主要有以下优点: ·开关损耗更低,在中小功率时,导通损耗更低; ·没有IGBT那样的PN结电压降; ·SiC器件具有坚固、快速的本征二极管,无需外部二极管;该本征二极管的恢复电荷极小,几乎可以忽略不计; ·工作温度更高(200?6?2C),从而降低了冷却要求和散热要求,同时提高了可靠性; ·在能效相同的条件下,开关频率是IGBT的4倍,由于无源器件和外部元件少,重量、尺寸和成本更低。 驱动器 经验丰富的工程师知道,功率器件只是整个系统的众多重要组件之一。要想使设计变得可靠、高效,有成本效益,还需要给MOSFET选择适合的驱动器。适合的驱动器是根据目标MOSFET及其负载特有的电流变化率、电压值和时序限制而专门设计的驱动器。由于硅基MOSFET技术已经成熟,市面上有很多品牌的标准驱动器,保证驱动器/ MOSFET组合正常工作。 因此,人们关心SiC MOSFET驱动的难易程度,更关心驱动器在市场上是否有售,这是很正常的事情。令人兴奋的是,驱动SiC MOSFET几乎与驱动硅基MOSFET一样容易,驱动一个80mΩ器件,只需要20V栅-源电压、最大约2A的驱动电流。因此,在许多情况下都可以使用简单标准的栅极驱动器。意法半导体和其它厂商开发出了针对SiC MOSFET优化的栅极驱动器,例如ST TD350。 在这款先进的栅极驱动器内,创新的有源米勒钳位功能大多数应用中节省了负电压栅极驱动,并允许使用简单的自举电源驱动高边驱动器;电平和延迟可调节的两级关断功能可以预防关断操作产生大量的过电压,以防万一发生过流或短路情况,两级关断功能中设置的延迟还可用于控制开关的开通操作,防止脉冲宽度失真。(为进一步简化SiC MOSFET的使用,意法半导体发布了题目为 “如何微调SiC MOSFET栅极驱动器,最大限度降低损耗”的应用笔记,全面详细介绍了驱动器的要求和最佳性能解决方案。) 不只是推断,还是事实 制造工艺的进步有时并不能保证新技术一定会产业化和大规模应用,而SiC MOSFET却是一个例外。目前,SiC MOSFET已经大批量生产,并被混动汽车和电动汽车采用,在能效、性能和工作条件方面取得切实的成效,并传导到电路级和系统级。 我们用混动汽车和电动汽车的80kW牵引电机逆变器电源模块做了一个SIC MOSFET与硅IGBT的对比测试,结果显示,在许多关键参数方面,650V SIC MOSFET远胜硅IGBT。这个三相逆变器模块采用双极性PWM控制拓扑,具有同步整流模式。两种器件都是按照结温小于绝对最大额定结温80%确定器件尺寸。硅 IGBT方案使用4个并联的650V/200A IGBT和额定值相同的相关续流硅二极管;基于SIC MOSFET的方案设计采用7个并联的650V/100A SiC MOSFET,未使用任何外部二极管(只用本征二极管);额定峰值功率480Arms(10秒),正常负载230Arms。其它工作条件是: ·直流电路电压:400Vdc ·开关频率:16kHz ·SiC Vgs电压 +20V/-5V,IGBT Vge电压 ±15V ·冷却液温度:85℃ ·RthJ-C(IGBT-die)=0.4℃/W; RthJ-C(SiC-die)=1.25℃/W ·在任何条件下,Tj ≤ 80% ×Tjmax℃ 下表列出了在额定峰值功率下的典型功率损耗: 注意到,SiC MOSFET与硅基IGBT对比,几乎所有功率损耗参数都有明显改善。当并联MOSFET时,所产生的RDS(ON) 导通电阻除以MOSFET的个数,致使导通损耗接近零,因此,SiC MOSFET的导通损耗低于IGBT。相反,当并联IGBT时,所产生的VCE(SAT) 电压不会线性下降,并且最小导通电压降是限制在大约0.8至1 V范围内。 不难看出,在整个负载范围内,基于SiC的MOSFET解决方案的功率损耗低很多。由于导通电压降较低,这些MOSFET在100%负载时的导通损耗也从125 W降低到55 W,如图3a和3b所示。 图3:a)在整个负载范围内,基于SiC的设计(红线)的功耗比硅基IGBT(蓝线)低很多(左图)。 b)SiC系统(红线)的能效明显高于纯硅方案(蓝线),在较低的负载比时尤为显著。 在低负载时,SiC器件的能效比硅IGBT高达3%;在整个负载范围内,总能效高至少 1%。尽管1%看起来似乎不高,但对于这个功率等级,1%代表了很高的功耗、耗散功率和散热量。工程师知道,高温是持久性能和可靠性的大敌。此外,高能效还能延长电动汽车续航里程,这是汽车制造商和消费者比较看重的价值主张。在16 kHz开关频率下,比较SiC与IGBT的结温,从低负载到满负载,显然SiC是赢家,两者的冷却液温度均为85?6?2C,如图4所示。数据表明,因为损耗高,IGBT冷却系统的效率必须更高。 图4:结温决定开关频率高低、可靠性以及其它性能;在可靠性方面,SiC解决方案(红线)优于硅解决方案(蓝线),直到100%负载仍然保持较低的Δ(Tj-Tfluid)温差。 SiC器件结温几乎在整个开关频率范围内都处于较低的水平,如图5所示,甚至开关频率低至8 kHz时,温度也比IGBT低,硅基IGBT在46 kHz时已超出额定结温范围。 图5:在整个开关频率范围内,结温低也是SiC器件的主要优势;这两个方案在8 kHz时结温大致相同,但之后SiC(红线)逐渐优于Si(蓝线),后者随着开关频率的提高而大幅增加。 在峰值功率脉冲条件下,SiC MOSFET导通损耗高于IGBT,为使结温保持在最高结温以下(通常为200?6?2C的Tjmax的80%),我们限定SiC MOSFET的尺寸,这时 SiC MOSFET具有以下优势: ·芯片面积小,适合更紧凑的方案; ·中低负载功率损耗低很多; ·电池续航时间更长,延长汽车续航里程; ·满载时损耗更低,适用于更小的冷却方案; ·在整个负载范围内,结温Tj和冷却液温度Tfluid的温差小,可提高可靠性。 这些特性和优点为用户带来了切实的好处,例如,能效提高至少1%(损耗降低75%);逆变器侧冷却系统更小、更轻(减少约80%);电源模块更小、更轻(减少50%)。 成本考量 当讨论技术进步及其带来的好处时,不考虑成本因素的讨论都是片面的。目前,SiC MOSFET的成本是硅IGBT的4-5倍,不过,SiC MOSFET在物料清单、冷却系统和能耗方面的节省,降低了系统总成本,通常可以抵消掉这些基础组件的成本差距。在未来2-5年,随着行业转向大直径晶圆,意法半导体已经开始转型,这一价差应该会降至3倍甚至2.5倍,品质因数RDSON × 面积也将得到改善,产量将会提高。从长远看,未来5-10年,随着这些参数改进,成本将会继续降低。 SiC功率开关带来了改进性能的希望,同时也将这些希望变成了现实,在应用和安装中几乎不存在设计折衷问题。随着汽车厂商加紧研发混动汽车、电动汽车和许多相关电源模块,以及其它以大功率电机为中心的应用,SiC功率开关可以在成功设计中发挥重要作用,即使改进步伐很小,也会为系统级带来巨大的进步。以上就是SiC MOSFET在汽车和电源中的应用,希望对大家有所帮助。

    时间:2020-03-24 关键词: MOSFET 碳化硅 sic

  • ROHM的SiC功率元器件被应用于UAES的电动汽车车载充电器

    ROHM的SiC功率元器件被应用于UAES的电动汽车车载充电器

    全球知名半导体制造商ROHM(总部位于日本京都市)的SiC功率元器件(SiC MOSFET*1)被应用于中国汽车行业一级综合性供应商——联合汽车电子有限公司(United Automotive Electronic Systems Co., Ltd. ,总部位于中国上海市,以下简称“UAES公司”)的电动汽车车载充电器(On Board Charger,以下简称“OBC”)。UAES公司预计将于2020年10月起向汽车制造商供应该款OBC。 与IGBT*2等Si(硅)功率元器件相比,SiC功率元器件是一种能够显著降低损耗的半导体,在电动汽车以及基础设施、环境/能源、工业设备领域的应用日益广泛。 ROHM于2010年全球首家开始SiC MOSFET的量产,作为SiC功率元器件的领军企业,ROHM一直在推动世界先进的产品开发。另外,在汽车领域,ROHM于2012年在业界率先开始供应车载产品,并在电动汽车的快速充电用车载充电器领域拥有很高的市场份额,该产品在电动汽车的电机和逆变器中的采用也日益加速。 此次,ROHM的SiC MOSFET被UAES公司的OBC产品采用,与以往的OBC相比,新OBC所在单元的效率提高了1%(效率高达95.7%,功率损耗比以往降低约20%)。并且,这一先进的解决方案获得了UAES颁发的2019年度最佳技术进步奖。 未来,ROHM将作为SiC功率元器件的领军企业,不断壮大产品阵容,并结合充分发挥元器件性能的控制IC等外围元器件和模块化技术优势,继续提供有助于下一代汽车技术创新的电源解决方案。 <关于联合汽车电子有限公司(UAES)> UAES公司是中联汽车电子有限公司和德国罗伯特·博世有限公司在中国的合资企业,是汽车行业一级综合供应商。自1995年成立以来,该公司已在中国市场获得了引擎控制单元和燃油汽车动力总成业务领域极高的市场份额,2009年之后开始面向电动汽车领域开发包括主机逆变器在内的产品。 <采用SiC MOSFET的好处> 在大功率(高电压×大电流)范围中,与Si-IGBT相比,SiC MOSFET具有“开关损耗和传导损耗*3小”、“抗温度变化能力强”等优点。得益于这些优点,当SiC MOSFET用于电动汽车的车载充电器和DC/DC转换器等产品中时,可降低功率转换时的损耗并实现散热部件的小型化,高频工作还可实现线圈小型化,从而有助于提高应用的效率、减少部件数量并缩减安装面积。 <ROHM的Sic功率元件开发历史> <术语解说> *1) MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor的缩写) 金属-氧化物-半导体场效应晶体管,是FET中最常用的结构。用作开关元件。 *2) IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管) 同时具有MOSFET的高速开关特性和双极晶体管的低传导损耗特性的功率晶体管。 *3) 传导损耗、开关损耗 因元器件结构的缘故,MOSFET和IGBT等晶体管在使用时会产生损耗。传导损耗是电流流过元器件时(ON状态时),受元器件的电阻分量影响而产生的损耗。开关损耗是切换元器件的通电状态时(开关动作时)产生的损耗。

    时间:2020-03-17 关键词: sic 功率元器件 车载充电器

  • 安森美推出宽禁带器件:900V和1200V SiC MOSFET

    2020年3月11日 — 推动高能效创新的安森美半导体,推出另两个碳化硅(SiC) MOSFET系列,扩展了其宽禁带(WBG)器件系列。 这些新器件适用于各种高要求的高增长应用,包括太阳能逆变器、电动汽车(EV)车载充电、不间断电源(UPS)、服务器电源和EV充电桩,提供的性能水平是硅(Si) MOSFET根本无法实现的。 安森美半导体的新的1200伏(V)和900 V N沟道SiC MOSFET提供比硅更快的开关性能和更高的可靠性。快速本征二极管具有低反向恢复电荷,显著降低损耗,提高工作频率以及整体方案的功率密度。 小芯片尺寸进一步增强高频工作,达至更小的器件电容和更低的门极电荷-Qg(低至220 nC),从而降低在高频下工作时的开关损耗。这些增强功能比基于Si的MOSFET提高能效,降低电磁干扰(EMI),并可使用更少(或更小)的无源器件。极强固的SiC MOSFET比Si器件提供更高的浪涌额定值、更好的雪崩能力和更高的抗短路性能,从而提供更高的可靠性和更长的使用寿命,这对高要求的现代电源应用至关重要。较低的正向电压提供无阈值的导通状态特性,减少器件导通时产生的静态损耗。 1200 V器件的额定电流高达103 A(最大ID),而900 V器件的额定电流高达118 A。对于需要更高电流的应用,安森美半导体的MOSFET可易于并联运行,因其正温系数/不受温度影响。 安森美半导体电源方案部功率MOSFET分部副总裁/总经理Gary Straker针对新的SiC MOSFET器件说:“如果设计工程师要达到现代可再生能源、汽车、IT和电信应用要求的具挑战性的高能效和功率密度目标,他们需要高性能、高可靠性的MOSFET器件。安森美半导体的WBG SiC MOSFET提升性能至超越硅器件所能提供的,包括更低的损耗,更高的工作温度,更快的开关速度,改善的EMI和更高的可靠性。安森美半导体为进一步支援工程界,还提供广泛的资源和工具,简化和加速设计流程。” 安森美半导体的所有SiC MOSFET都不含铅和卤化物,针对汽车应用的器件都符合AEC-Q100车规和生产件批准程序(PPAP)。所有器件都采用行业标准的TO-247或D2PAK封装。

    时间:2020-03-11 关键词: MOSFET 电源 sic

  • CISSOID三相SiC MOSFET智能功率模块问市

    CISSOID三相SiC MOSFET智能功率模块问市

    该可扩展平台中的第一款产品是一个三相1200V/450A碳化硅MOSFET智能功率模块,它具有低导通损耗特性,导通电阻为3.25毫欧(mOhm),同时具有低开关损耗特性,在600V/300A时导通和关断能量分别为8.3mJ和11.2mJ。相比最先进的IGBT功率模块,其将损耗降低了至少三倍。新模块通过一个轻质的铝碳化硅(AlSiC)针翅底板进行水冷,结到流体的热阻为0.15°C / W。该智能功率模块可承受高达3600V的隔离电压(经过50Hz、1分钟的耐压测试)。 内置的栅极驱动器包括3个板载隔离电源(每相1个),可提供每相高达5W的功率,从而可以在高达125°C的环境温度下轻松驱动频率高达25KHz的功率模块。高达10A的峰值栅极电流和对高dV/dt(> 50KV/µs)的抗扰性可实现功率模块的快速开关和低开关损耗。还具备欠压锁定(UVLO)、有源米勒钳位(AMC)、去饱和检测和软关断(SSD)等保护功能,以确保一旦发生故障时可以安全地驱动功率模块并提供可靠的保护。

    时间:2020-03-05 关键词: MOSFET sic cissoid

  • CISSOID强劲可靠的栅极驱动器为 Wolfspeed的快速开关碳化硅(SiC)功率模块提供支持

    CISSOID强劲可靠的栅极驱动器为 Wolfspeed的快速开关碳化硅(SiC)功率模块提供支持

    比利时·蒙-圣吉贝尔,2020年1月14日 – 各行业所需高温半导体解决方案的领导者CISSOID日前宣布,为Wolfspeed提供强劲可靠的栅极驱动器,以支持其XM3碳化硅(SiC)MOSFET功率模块。该新型栅极驱动器板旨在为高功率密度转换器提供支持,可以安全地驱动快速开关碳化硅功率模块以实现低损耗,同时可以在空间受限的电机驱动器、紧凑型电源或快速电池充电器内部的高温环境中运行。CMT-TIT0697栅极驱动器板被设计为可直接安装在CAB450M12XM3 1200V/450A碳化硅MOSFET功率模块上。凭借可提供每通道高达2.5W功率的板载隔离电源(且无需降低高达125°C的额定环境温度),该栅极驱动器可以驱动频率高达100KHz的XM3模块,从而实现高功率密度。高达10A的峰值栅极电流和对高dV/dt(> 50KV/µs)的抗扰性使得该栅极驱动器可以在栅极电阻为零的情况下驱动功率模块,从而将开关损耗降至最低。该板可承受高达3600V的隔离电压(经过50Hz、1分钟的耐压测试),并可提供14mm的爬电距离,而且具备欠压锁定(UVLO)、有源米勒钳位(AMC)、去饱和检测和软关断(SSD)等保护功能,以确保一旦发生故障时可以安全地驱动功率模块并提供可靠的保护。

    时间:2020-01-14 关键词: sic cissoid wolfspeed

  • 新型IGBT诞生,made in China

    新型IGBT诞生,made in China

    随着功率领域对小型化、高频、高温、高压和抗辐照特性的迫切需求,硅基功率器件达到了理论极限,第二代半导体材料砷化镓(GaAs),以及以碳化硅(SiC)半导体材料和氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、金刚石等宽禁带半导体材料(禁带宽度大于3.2eV)等为代表的第三代半导体材料纷纷登上半导体的舞台。 与第一代半导体材料硅和第二代半导体材料砷化镓相比,碳化硅材料具有带隙宽(硅的2.9倍)、临界击穿电场高(硅的10倍)、热导率高(硅的3.3倍)、载流子饱和漂移速度高(硅的1.9倍)和极佳的化学稳定性和热稳定性等特点,是制造新一代高温、大功率、电力电子和光电子器件的理想材料。在相同击穿电压的情况下,碳化硅基功率器件的导通电阻只有硅器件的1/200,极大地降低了变换器的导通损耗。据统计,若全国使用全碳化硅电力电子器件进行电能传输,每年可节省的电量相当于2个三峡水电站的发电量。根据美国科锐公司的研究,如果在全球范围内广泛使用碳化硅功率器件,每年节能将达到350亿美元。因此,碳化硅基功率器件将能够大大降低能耗,满足未来电力系统对电力电子器件耐高压、低功耗的需求。 随着碳化硅衬底、外延生长和工艺技术的不断进展,中等阻断电压(600~1 700V)的碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)已经逐步实现商业化。然而,人们对材料特性、材料缺陷对碳化硅功率器件性能以及可靠性的影响机制仍然缺乏足够的了解,尤其是针对10kV以上的大容量碳化硅功率器件,通常需要碳化硅厚膜外延材料。高厚度、低缺陷的高质量碳化硅同质异型外延直接决定了碳化硅基电力电子器件性能的优劣。其次,碳化硅基绝缘栅双极晶体管(IGBT)面临的最大挑战是载流子迁移率低(10cm2/Vs),只有碳化硅基MOSFET器件的1/10,比碳化硅体材料(1000cm2/Vs)低两个数量级。载流子迁移率的高低决定着半导体器件的电导率与工作频率,影响着器件的开关损耗和工作效率。 当前,碳化硅基功率器件面临着严峻的挑战,现有的碳化硅基肖特基二极管,MOSFET等器件并不能有效地满足实际应用需要,对IGBT器件的需求日益迫切,必须突破碳化硅基IGBT研究中的瓶颈问题,增加器件耐压强度,提高沟道迁移率。针对这些核心技术难题,中国科学院半导体研究所的研究团队从决定碳化硅基IGBT载流子迁移率的最基本科学规律入手,揭示载流子输运机理、能带结构对准,生长出高质量碳化硅厚膜外延材料和低界面态栅介质层材料,研究与调控材料界面和表面,最终研制出具有高载流子迁移率和高阻断电压的碳化硅 IGBT器件。 实现高温度、低缺陷碳化硅外延生长与原位掺杂技术 碳化硅厚外延的生长是高压大容量IGBT器件研制的基础之一,厚外延层、低背景载流子浓度是碳化硅器件耐击穿的保证。为此,研究团队对快速外延生长条件下的温场和流场分布进行了研究,建立了碳化硅生长速率与工艺条件的内在联系,采用热壁CVD反应生长室,提高碳化硅 CVD系统温度场的均匀性;同时采用的低压化学气相沉积的方法可以调节反应气体的流量、改变生长温度等,进而增加碳化硅外延的生长速率,并保证恒定的碳与硅比例,使碳化硅外延在快速生长的同时,成分保持恒定。

    时间:2020-01-02 关键词: igbt sic 电源资讯 二氧化硅

  • 除了业界最小RDSon之外,与硅器件相同的驱动特性才是United SiC FET的杀手锏

    除了业界最小RDSon之外,与硅器件相同的驱动特性才是United SiC FET的杀手锏

    众所周知,SiC功率器件相比传统的Si类器件有着开关损耗小、开关频率高和封装小等诸多优势,因此更适合应用于电动汽车、充电桩和电路保护等多种应用场景中。近日United SiC公司推出了全新的SiC Fet系列产品——UF3SC,首次在业界实现了小于10mΩ的RDS(on)的特性,将SiC功率器件产品的性能推到了新的高度。21ic特此就此全新产品与United SiC亚太区的FAE经理Richard Chen先生进行了深入的沟通。 业界最低 RDS(on)的SiC器件 据Richard介绍,United SiC采用了一种简单的结构来实现更好的性能表现,将一个SiC JFET和一个Si基的MOSFET采用共源共栅的方式烧结在一起。SiC JFET在常开状态:正向导通的时候电流首先流经SiC JFET然后通过Si基的MOSFET;在反向导通的时候电流先流经Si基的MOSFET然后通过SiC FET。在阻塞模式时,Si MOSFET处于关闭状态,可以提供20V的电压给SiC JFET,让SiC JFET处于关闭状态,所以SiC JFET可以承受所有的高压,而Si MOSFET就免除了高电压的压力。 此次推出的UF3SC系列产品,在延续了之前产品的优秀设计的基础上,最大的亮点是将关键的RDS(on)降低到了10mΩ之内。RDS(on)即当MOSFET完全打开时的从源极到漏极的总电阻,这个参数关系到JFET的导通损耗。目前业界650V的SiC器件的RDS(on)最小为17mΩ,而United SiC的UF3SC的导通电阻仅仅为7mΩ;在1200V SiC的这个产品类别里,竞品的最低导通电阻可以达到13mΩ,而UF3SC的导通最小电阻仅为9mΩ。通过将导通电阻的降低,可以将整个的功耗水平降低。 直接在Si和传统SiC设计中实现替换与升级 United SiC的另一个非常重要的优势就是其具有和传统Si器件一致的驱动电压,因此可以直接在客户即有的平台上进行升级。 如下图所示,传统的Si基的JFET的驱动电压是0~12V,而Si基IGBT的导通电压需要达到15V以上,传统第三代SiC MOSFET的驱动电压则是-4V~15V,只有United SiC的 FET是与传统Si基JFET是保持完全一致的驱动电压范围。所以如果客户需要在传统的Si基础的电路中进行升级,可以直接将其替换为United SiC的器件,而不需要对器件的外围电路进行任何的调整;这将极大地降低客户重新设计的成本。另外,United SiC器件也完全适合在标准的SiC MOSFET的驱动电路中工作,无需额外的电路调整。 在VGS的额定电压范围方面,Si基的JFET和IGBT具有相同的电压范围是+/-20V,而第三代SiC器的电压范围有限,只能覆盖到-5V~+10V的电压范围。但是United SiC FET的VGS的额定电压范围是+/-25V的电压范围,可以安全覆盖Si基器件的VGS的电压范围。因为United SiC的门是Si基的器件,所以并不会像其他SiC器件一样出现Vth漂移的现象,而且在Gate和Source端之间还有内建的ESD保护二极管。 United SiC还推出了Super-Junction MOSFET的替换计划,客户可以直接用United SiC的器件来替代传统的Si基的高压超结的器件,实现更低的Vgs的延时和更高的输出能效。带来的最终结果就是可以获得更快的开关频率,并且达到节能的效果;据悉这将是一个每年百万片的庞大市场。 适应未来电动汽车应用 目前SiC最热的应用市场就是电动汽车,据悉United SiC的产品就非常适合应用在高功率EV逆变器的设计中。电动汽车最令人关注的一个参数就是续航里程,如果将逆变器的效率提高、损耗降低,那就可以提升电动汽车整体的续航里程。采用UF3SC系列的器件,可以让逆变器的效率保持在99%以上,提供两倍于IGBT的频率切换。纹波电流的降低需要将纹波拉高,而如果开关损耗过大则将会导致纹波降低,从而影响到纹波电流的降低。 在高电流充电器的场景中,UF3SC相比传统基于IGBT的系统具有更高的效率。在占空比为50%的100A工作电流的情况下,传导损耗不到普通二极管的一半,可以用在辅助侧二极管的同步整流器来显著减少系统总的损失和热负担。 固态断路器同样也是电动汽车上一个常见的应用。因为电动汽车本身蕴藏的能量是很大的,所以需要一个断路器来确保整体系统的安全。下图中绿色的表示短路情况时的电流测试,可以看到通道阻抗会从最大变到最小,实现一个断开的保护。这样就直接通过SiC器件实现了一个断路保护的优势。 最后在60KVA逆变器这一应用领域,传统的模块的方案体积大、成本高、效率低,而现在使用单管的UF3SC的方案就可以直接实现,所以就极大地降低了整体的设计复杂度和bom成本。 除了以上提及到的与电动汽车相关的应用之外,通讯电源领域也是一个高压高功率的市场,这个市场也是需要更高效率的产品来支持。而目前在这个市场上,United SiC也已经有了不少的客户在采用这种先进的方案。   采用Si基MOSFET和SiC基的JFET,采用共源共栅的方式将其烧结在一起,是United SiC的最大设计特色。这种结构确保其产品可以保持与Si类功率器件保持一致的驱动电压,从而可以帮助可以直接在原有的Si基础的电路中进行直接的升级和替换。而此次最新推出的UF3SC系列SiC器件,更是以小于10mΩ的业界最低Rds(on)将SiC器件的性能提升到了新的高度,面对电动汽车和5G等全新应用需求,United SiC可以给客户提供集成度更高、更加高效、更为稳定可靠的解决方案。

    时间:2019-12-17 关键词: MOSFET 功率器件 碳化硅 技术专访 sic

  • 为什么超低阻抗SiC FET受欢迎?

    为什么超低阻抗SiC FET受欢迎?

    功率半导体开关通常在用于电路设计时,能够在不增加开关损耗的情况下减小电流传导期间的损耗,这是其一大优势。在各种电路保护应用中,器件需要连续传送电流,较低的传导态损耗有利于使系统保持较高的效率,并将产生的废热降至最低。如果在这些应用中需要放心地使用这些功率开关,必须满足各种类型的耐用性标准。 在本文中,我们将讨论最先进的低阻抗功率半导体开关,介绍其关键特性和应用优势。这些开是由UnitedSiC开发,采用堆叠式共源共栅(cascode)技术,其中将一个特殊设计,阻抗低于1mΩ的硅低压MOSFET堆叠在一个阻抗低于10mΩ的650~1200V常开型碳化硅(SiC) JFET之上。所形成的复合器件被称为SiC FET,可以像标准硅器件一样进行驱动,但是与硅IGBT、硅MOSFET和SiC MOSFET相比,具有许多优势。 什么是堆叠式共源共栅? 与包括SiC MOSFET、硅MOSFET和GaN HEMT在内的其他可用功率晶体管相比,常开型SiC JFET的单位芯片面积具有更低的导通阻抗。如图1a所示,当低压MOSFET堆叠在JFET上时,为了实现图1b的共源共栅架构,就形成了低阻抗常关断型开关,称为堆叠式共源共栅,其阻抗是低压MOSFET和SiC JFET阻抗之和,根据所选择的MOSFET和JFET的不同,其阻抗可能比JFET阻抗高5~20%。 显示了8.6mΩ,1200V堆叠芯片UF3SC12009Z的尺寸。由于在组装之前将低压MOSFET预堆叠在JFET上,因此该复合器件与标准组装管芯连接和引线键合设备兼容。而且,很有意义的是,该器件适合用于电源模块,并且还可通过TO247-4L封装提供(器件名称UF3SC12009K4S)。

    时间:2019-12-10 关键词: fet sic 电源资讯

  • UnitedSiC新款SiC FET

    UnitedSiC新款SiC FET

    新能源汽车EV具有约为59%-62%的转换效率,而且依然有提升的潜力。而我们的内燃机正在为努力达到21%的效率抓破了头。但至少有一个可能的路线能够提高电动汽车的性能,就是采用新型半导体开关用于动力传动系统。要实现更高的效率,关键是功率转换效率。这些难题似乎已被IGBT攻克,然而随着技术的更新,在许多应用中IGBT已经被碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料制造的宽带隙(WBG)半导体技术所取代。 新型功率半导体企业美商联合碳化硅股份有限公司(UnitedSiC)宣布将推出四种新型SiC FET——UF3SC。据介绍,该产品的RDS(ON)值可低至7mΩ,并可提供前所未有的性能和高效率,适用于电动汽车(EV)逆变器、高功率DC/DC转换器、大电流电池充电器和固态断路器等高功率应用。在这四款全新UF3C SiC FET器件中,一款产品额定电压值为650V,RDS(on)为7 mΩ,另外三款电压额定值为1200V,RDS(on)分别为9和16 mΩ。 UnitedSiC工程师表示,与Si器件相比,SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。此外,基于卓越的电阻特性,能量损耗可降低70-90%。 因此可以大大改善系统上的散热。由于SiC可承受更高的温度,即可实现更高的集成。这将会满足未来客户对系统体积小型化,轻量化的诉求。其中,出色的二极管特性使得Vf仅为2V,与传统的SiC MOSFET 3.5V相比提高了不少,从而大大降低了二极管的损耗。

    时间:2019-12-10 关键词: sic 电源资讯 unitedsic

  • 意法半导体完成对碳化硅晶圆厂商Norstel AB的并购

    中国,2019年12月2日——横跨多重电子应用领域的全球领先的半导体供应商意法半导体于12月2日宣布,完成对瑞典碳化硅(SiC)晶圆制造商Norstel AB(“ Norstel”)的整体收购。在2019年2月宣布首次交易后,意法半导体行使期权,收购了剩余的45%股份。Norstel并购案总价为1.375亿美元,由现金支付。意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery表示:“在全球碳化硅产能受限的大环境下,整体并购Norstel将有助于增强ST内部的SiC生态系统,提高我们的生产灵活性,使我们能够更好地控制晶片的良率和质量改进,并为我们的碳化硅长远规划和业务发展提供支持。实施此次并购并与第三方签署晶圆供应协议,总目标是保证我们的晶圆供给量,满足汽车和工业客户未来几年增长的MOSFET和二极管需求。”Norstel将被完全整合到意法半导体的全球研发和制造业务中,继续发展150mm碳化硅裸片和外延片生产业务研发200mm晶圆以及更广泛的宽禁带材料。

    时间:2019-12-02 关键词: 晶圆 碳化硅 sic

  • 科锐与意法半导体扩大并延伸现有SiC晶圆供应协议

    科锐与意法半导体扩大并延伸现有SiC晶圆供应协议

    科锐与意法半导体宣布扩大并延伸现有多年长期碳化硅(SiC)晶圆供应协议至5亿多美元。意法半导体是全球领先的半导体供应商,横跨多重电子应用领域。这一延伸协议是原先协议价值的双倍,科锐将在未来数年向意法半导体提供先进的150mm SiC裸晶圆和外延片。这一提升的晶圆供应,帮助意法半导体应对在全球范围内快速增长的SiC功率器件需求,特别是在汽车应用和工业应用。 意法半导体总裁兼首席执行官 Jean-Marc Chery表示:“扩大与科锐的长期晶圆供应协议,将提高我们全球SiC衬底供应的灵活性。它将进一步保障我们用于SiC基产品制造所需的衬底体量。我们将在未来几年实现SiC基产品的量产,以满足汽车和工业客户不断增加的项目数量。” 科锐首席执行官Gregg Lowe表示:“SiC所带来的性能提升,对于电动汽车以及包括太阳能、储能和不间断电源UPS系统在内的下一代工业解决方案至关重要。科锐始终致力于引领半导体产业从Si向SiC的转型。与意法半导体协议的延伸,将保证我们可以满足在全球范围内诸多应用领域对于SiC基方案加速增长的需求,同时加速这一市场。” SiC基功率半导体解决方案在汽车市场的采用正在快速增长。业界正寻求加速从内燃机向电动汽车的转型,提供更高的系统效率,从而实现电动汽车更长的行驶里程和更快的充电,同时降低成本、减轻重量、节约空间。在工业市场,SiC模块带来更小、更轻、更具性价比的逆变器,更有效率地转换能量,以开启清洁能源新应用。

    时间:2019-11-20 关键词: 晶圆 碳化硅 sic

  • SiC MOSFET在汽车和电源应用中优势显著

    SiC MOSFET在汽车和电源应用中优势显著

    商用硅基功率MOSFET已有近40年的历史,自问世以来,MOSFET和IGBT一直是开关电源的主要功率处理控制组件,被广泛用于电源、电机驱动等电路设计。不过,这一成功也让MOSFET和IGBT体会到因成功反而受其害的含义。随着产品整体性能的改善,特别是导通电阻和开关损耗的大幅降低,这些半导体开关的应用范围越来越广。结果,市场对这些硅基MOSFET和IGBT的期望越来越高,对性能的要求越来越高。尽管主要的半导体研发机构和厂商下大力气满足市场要求,进一步改进MOSFET/ IGBT产品,但在某些时候,收益递减法则占主导。几年来,尽管付出投入很大,但成效收获甚微。技术和产品最终发展到一个付出与收获不成正比的阶段,并不罕见,这是在为新的颠覆性方法和新产品问世奠定基础。对于MOSFET器件,这个颠覆性技术创新周期是开发和掌握新基础材料的结果。与基于纯硅的MOSFET比较,基于碳化硅(SiC)的MOSFET的性能更胜一筹。请注意,本文对比测试所用产品不是研发样品或演示原型,而是已经商用的基于SiC的MOSFET。作为一个重要的快速发展的应用领域,电动汽车和混动汽车(EV/HEV)的发展受益于MOSFET技术进步,反过来又推到了MOSFET的研发制造活动。不管消费者是如何想的,这些满载电池的汽车不只是一个大型电池组连接数个牵引电机那样简单(混动汽车还有一个小型汽油发动机给电池充电),而是需要大量电子模块来驱动系统运行,管理设备,执行特殊功能,如图1所示。图1:电动汽车和混合动汽车不只是一台大容量电池连接数台牵引电机,还有许多较小的电子子系统及电源,以及给大型电池组充放电和管理电池组的高功率子系统。电动汽车和混合动汽车所用的功率开关转换系统包括:·轮毂电机牵引逆变器(200 kW/最高20 kHz);·交流输入车载充电器(20 kW/50 kHz-200 kHz);·选配快速充电功能(50 kW/50 kHz-200 kHz)·辅助功能电源:中控台、电池管理控制、空调、信息娱乐系统、GPS、网络连接(4kW/50kHz-200kHz量级)为什么要注重能效? 续航里程显然是消费者选购电动汽车和混合动汽车的重要考虑因素之一。逆变器的性能提高幅度即便很小,也能导致消费者能够看到的汽车基本性能指标明显提高。但是,要求高能效的不止于这一个因素,还有多种其它因素:·降低工作温度,提高可靠性;·降低热负荷,减少通过散热器、散热片、冷却液和其它技术散发的热量;·减少充电时间和基本用电量;·由于工作温度较高的系统固有的要求和限制,整体封装需要具有更大的灵活性;·更加轻松地符合法规要求。SiC应对挑战幸运的是,SiC提供了一条通向更高能效以及提高相关性能的途径。在结构和性能上,SiC MOSFET与主流的纯硅MOSFET有何不同?简而言之,SiC MOSFET是在SiC n+衬底上加一个SiC n掺杂外延层(又称漂移层),如图2所示。关键参数导通电阻RDS(ON)在很大程度上取决于源极/基极和漂移层之间的沟道电阻RDrift。图2:不同于纯硅MOSFET,SiC MOSFET在n+型 SiC衬底上面制作一个碳化硅外延(漂移)层,源极和栅极置于SiC漂移层顶部。当RDrift值给定,结温是25⁰C时,SiC晶体管裸片实际面积是硅超结晶体管裸片面积的几分之一,如果使两个管子的芯片面积相同,那么SiC晶体管的性能要高出很多。另一个比较SiC和硅的方法是用大家熟悉的品质因数(FOM),即RDS(ON)×芯片面积(品质因数越低越好)。在1200V阻断电压下,意法半导体的SiC MOSFET的FOM值很小,约为市面上最好的高压硅MOSFET(900V超结管)的十分之一。与牵引逆变器常用的硅基IGBT相比,SiC MOSFET主要有以下优点:·开关损耗更低,在中小功率时,导通损耗更低;·没有IGBT那样的PN结电压降;·SiC器件具有坚固、快速的本征二极管,无需外部二极管;该本征二极管的恢复电荷极小,几乎可以忽略不计;·工作温度更高(200⁰C),从而降低了冷却要求和散热要求,同时提高了可靠性;·在能效相同的条件下,开关频率是IGBT的4倍,由于无源器件和外部元件少,重量、尺寸和成本更低。驱动器经验丰富的工程师知道,功率器件只是整个系统的众多重要组件之一。要想使设计变得可靠、高效,有成本效益,还需要给MOSFET选择适合的驱动器。适合的驱动器是根据目标MOSFET及其负载特有的电流变化率、电压值和时序限制而专门设计的驱动器。由于硅基MOSFET技术已经成熟,市面上有很多品牌的标准驱动器,保证驱动器/MOSFET组合正常工作。因此,人们关心SiC MOSFET驱动的难易程度,更关心驱动器在市场上是否有售,这是很正常的事情。令人兴奋的是,驱动SiC MOSFET几乎与驱动硅基MOSFET一样容易,驱动一个80mΩ器件,只需要20V栅-源电压、最大约2A的驱动电流。因此,在许多情况下都可以使用简单标准的栅极驱动器。意法半导体和其它厂商开发出了针对SiC MOSFET优化的栅极驱动器,例如ST TD350。在这款先进的栅极驱动器内,创新的有源米勒钳位功能大多数应用中节省了负电压栅极驱动,并允许使用简单的自举电源驱动高边驱动器;电平和延迟可调节的两级关断功能可以预防关断操作产生大量的过电压,以防万一发生过流或短路情况,两级关断功能中设置的延迟还可用于控制开关的开通操作,防止脉冲宽度失真。(为进一步简化SiC MOSFET的使用,意法半导体发布了题目为 “如何微调SiC MOSFET栅极驱动器,最大限度降低损耗”的应用笔记,全面详细介绍了驱动器的要求和最佳性能解决方案。)不只是推断,还是事实制造工艺的进步有时并不能保证新技术一定会产业化和大规模应用,而SiC MOSFET却是一个例外。目前,SiC MOSFET已经大批量生产,并被混动汽车和电动汽车采用,在能效、性能和工作条件方面取得切实的成效,并传导到电路级和系统级。我们用混动汽车和电动汽车的80kW牵引电机逆变器电源模块做了一个SIC MOSFET与硅IGBT的对比测试,结果显示,在许多关键参数方面,650V SIC MOSFET远胜硅IGBT。这个三相逆变器模块采用双极性PWM控制拓扑,具有同步整流模式。两种器件都是按照结温小于绝对最大额定结温80%确定器件尺寸。硅IGBT方案使用4个并联的650V/200A IGBT和额定值相同的相关续流硅二极管;基于SIC MOSFET的方案设计采用7个并联的650V/100A SiC MOSFET,未使用任何外部二极管(只用本征二极管);额定峰值功率480Arms(10秒),正常负载230Arms。其它工作条件是:·直流电路电压:400Vdc·开关频率:16kHz·SiC Vgs电压 +20V/-5V,IGBT Vge电压 ±15V·冷却液温度:85℃·RthJ-C(IGBT-die)=0.4℃/W; RthJ-C(SiC-die)=1.25℃/W·在任何条件下,Tj ≤ 80% ×Tjmax℃下表列出了在额定峰值功率下的典型功率损耗:注意到,SiC MOSFET与硅基IGBT对比,几乎所有功率损耗参数都有明显改善。当并联MOSFET时,所产生的RDS(ON)导通电阻除以MOSFET的个数,致使导通损耗接近零,因此,SiC MOSFET的导通损耗低于IGBT。相反,当并联IGBT时,所产生的VCE(SAT)电压不会线性下降,并且最小导通电压降是限制在大约0.8至1V范围内。不难看出,在整个负载范围内,基于SiC的MOSFET解决方案的功率损耗低很多。由于导通电压降较低,这些MOSFET在100%负载时的导通损耗也从125W降低到55W,如图3a和3b所示。图3:a)在整个负载范围内,基于SiC的设计(红线)的功耗比硅基IGBT(蓝线)低很多(左图)。b)SiC系统(红线)的能效明显高于纯硅方案(蓝线),在较低的负载比时尤为显著。在低负载时,SiC器件的能效比硅IGBT高达3%;在整个负载范围内,总能效高至少1%。尽管1%看起来似乎不高,但对于这个功率等级,1%代表了很高的功耗、耗散功率和散热量。工程师知道,高温是持久性能和可靠性的大敌。此外,高能效还能延长电动汽车续航里程,这是汽车制造商和消费者比较看重的价值主张。在16kHz开关频率下,比较SiC与IGBT的结温,从低负载到满负载,显然SiC是赢家,两者的冷却液温度均为85⁰C,如图4所示。数据表明,因为损耗高,IGBT冷却系统的效率必须更高。图4:结温决定开关频率高低、可靠性以及其它性能;在可靠性方面,SiC解决方案(红线)优于硅解决方案(蓝线),直到100%负载仍然保持较低的Δ(Tj-Tfluid)温差。SiC器件结温几乎在整个开关频率范围内都处于较低的水平,如图5所示,甚至开关频率低至8kHz时,温度也比IGBT低,硅基IGBT在46kHz时已超出额定结温范围。图5:在整个开关频率范围内,结温低也是SiC器件的主要优势;这两个方案在8 kHz时结温大致相同,但之后SiC(红线)逐渐优于Si(蓝线),后者随着开关频率的提高而大幅增加。在峰值功率脉冲条件下,SiC MOSFET导通损耗高于IGBT,为使结温保持在最高结温以下(通常为200⁰C的Tjmax的80%),我们限定SiC MOSFET的尺寸,这时SiC MOSFET具有以下优势:·芯片面积小,适合更紧凑的方案;·中低负载功率损耗低很多;·电池续航时间更长,延长汽车续航里程;·满载时损耗更低,适用于更小的冷却方案;·在整个负载范围内,结温Tj和冷却液温度Tfluid的温差小,可提高可靠性。这些特性和优点为用户带来了切实的好处,例如,能效提高至少1%(损耗降低75%);逆变器侧冷却系统更小、更轻(减少约80%);电源模块更小、更轻(减少50%)。成本考量当讨论技术进步及其带来的好处时,不考虑成本因素的讨论都是片面的。目前,SiC MOSFET的成本是硅IGBT的4-5倍,不过,SiC MOSFET在物料清单、冷却系统和能耗方面的节省,降低了系统总成本,通常可以抵消掉这些基础组件的成本差距。在未来2-5年,随着行业转向大直径晶圆,意法半导体已经开始转型,这一价差应该会降至3倍甚至2.5倍,品质因数RDSON×面积也将得到改善,产量将会提高。从长远看,未来5-10年,随着这些参数改进,成本将会继续降低。SiC功率开关带来了改进性能的希望,同时也将这些希望变成了现实,在应用和安装中几乎不存在设计折衷问题。随着汽车厂商加紧研发混动汽车、电动汽车和许多相关电源模块,以及其它以大功率电机为中心的应用,SiC功率开关可以在成功设计中发挥重要作用,即使改进步伐很小,也会为系统级带来巨大的进步。

    时间:2019-10-18 关键词: MOSFET sic ev/hev

  • 1200V 450A全SiC半桥功率模块问世

    1200V 450A全SiC半桥功率模块问世

    该产品可最大限度地提高功率密度,同时最大限度地降低环路电感并实现简单的功率总线。XM3适用于电动车充电器,牵引驱动器和不间断电源(UPS)等应用。 根据Wolfspeed的说法,该半桥模块利用了公司优化的第三代MOSFET技术。XM3的SiC封装最高支持175°C。 Wolfspeed表示,XM3功率模块平台可最大限度地发挥SiC的优势,同时保持模块和系统设计的稳健,简单和经济高效等特性。 此外,Wolfspeed表示CAB450M12XM3模块的重量和体积仅为标准62mm模块的一半。 通过端子布局简化了母线设计,同时集成了温度传感,并具有专用的开尔文引脚。该模块具有氮化硅(Si3N4)绝缘电路板。 特性 高功率密度 高温(175°C)操作 低电感(6.7nH)设计 利用第三代优化的MOSFET技术 优点 端子布局简化了母线设计 集成温度传感 开尔文引脚 氮化硅(Si3N4)绝缘电路板

    时间:2019-10-11 关键词: sic wolfspeed 电源其他电源电路

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