碳化矽器件的分類及典型應用

2020-11-23 電子發燒友

碳化矽器件的分類及典型應用

半導體商城 發表於 2020-11-23 09:44:36

　　碳化矽為代表的第三代寬禁帶半導體，可在更高溫度、電壓及頻率環境正常工作，同時消耗電力更少，持久性和可靠性更強，將為下一代更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的電力電子產品提供飛躍的機遇。

　　碳化矽電力電子器件技術的進步及產業化，將在高壓電力系統開闢全新應用，對電力系統變革產生深遠影響。碳化矽電力電子器件優異的高效、高壓、高溫和高頻特性，使其在家用電器、電機節能、電動汽車、智能電網、航天航空、石油勘探、自動化、雷達與通信等領域有很大應用潛力。

　　碳化矽電力電子器件介紹

　　1.碳化矽（SiC）的定義

　　碳化矽（SiC）電力電子器件是指採用第三代半導體材料SiC製造的一種寬禁帶電力電子器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式，SiC電力電子器件主要包括功率二極體和功率開關管。功率二極體包括結勢壘肖特基（JBS）二極體、PiN二極體和超結二極體;功率開關管主要包括金屬氧化物半導體場效應開關管（MOSFET）、結型場效應開關管（JFET）、雙極型開關管（BJT）、絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）、門極可關斷晶閘管（GTO）和發射極可關斷晶閘管（ETO）等。

　　2.技術優勢

　　碳化矽半導體的優異性能使得基於碳化矽的電力電子器件與矽器件相比具有以下突出的優點：

　　（1）具有更低的導通電阻。在低擊穿電壓（約50V）下，碳化矽器件的比導通電阻僅有1.12uΩ，是矽同類器件的約1/100。在高擊穿電壓（約5kV）下，比導通電阻提高到25.9mΩ，卻是矽同類器件的約1/300。更低的導通電阻使得碳化矽電力電子器件具有更小的導通損耗，從而能獲得更高的整機效率。

　　（2）具有更高的擊穿電壓。例如：商業化的矽肖特基二極體通常耐壓在300V以下，而首個商業化的碳化矽肖特基二極體的電壓定額就已經達到了600V;首個商業化的碳化矽MOSFET電壓定額為1200V，而常用的矽MOSFET大多在1kV以下。

　　（3）更低的結-殼熱阻，使得器件的溫度上升更慢。

　　（4）更高的極限工作溫度，碳化矽的極限工作穩定可有望達到600℃以上，而矽器件的最大結溫僅為150℃。

　　（5）更強的抗輻射能力，在航空等領域應用可以減輕輻射屏蔽設備的重量。

　　（6）更高的穩定性，碳化矽器件的正向和反向特性隨溫度的變化很小。

　　（7）更低的開掛損耗。碳化矽器件開關損耗小，在幾十千瓦功率等級能夠工作在矽器件難以實現的更高開關頻率（》20kHz）狀態。

　　3.主要分類

　　（1）碳化矽肖特基二極體

　　肖特基勢壘二極體（SBD）作為一種單極性器件，在導通過程中沒有額外載流子注入和儲存，因而基本沒有反向恢復電流，其關斷過程很快，開關損耗很小。但是矽的肖特基勢壘較低，矽SBD的反向漏電流偏大，阻斷電壓較低，只能用於一二百伏的低壓場合在電壓較高的場合通常採用PiN二極體，但其反向恢復電流較大，開關損耗大。由於碳化矽材料的臨界雪崩擊穿電場強度較高，製作反向擊穿電壓超過1000V的碳化矽SBD相對比較容易。

　　基於SiC的這些獨特優勢，Cree等半導體器件商生產出單個器件電流等級1-20A，電壓等級為300V、600V和1200V的高壓SiC肖特基二極體產品，表1給出了目前國際上主要的碳化矽SBD製造商和其商業化器件的水平，其中Cree公司剛剛推出其最新的1700V電壓等級的碳化矽SBD。在高壓開關應用中，SiC肖特基二極體能提供近乎理想的性能。它幾乎沒有正向恢復電壓，因而能夠立即導通，不同於結電容，它的儲存電荷也非常小，能迅速關斷。

　　

　　（2）碳化矽功率電晶體

　　美國SemiSouth公司對碳化矽JFET進行了深入的研究，是目前國際上商業化碳化矽JFET器件的主要供應商，其SiCJFET產品的最高電壓定額達到1700V，最大電流定額為30A。

　　由於矽MOSFET的優越特性和成功應用，碳化矽MOSFET成為碳化矽電力電子器件研究中最受關注的器件。美國的Cree公司率先在碳化矽MOSFET研究方面取得突破，推出了10A/1200V和20A/1200V兩款商業化的碳化矽MOSFET產品，成為目前國際上唯一提供商業化分立碳化矽MOSFET的廠商。日本的羅姆公司也正在積極推進其碳化矽MOSFET的商業化進程。這些最初的SiCN溝道DMOSFET主要針對1200V的應用場合，這個電壓等級SiCMOSFET比現在的Si器件具有更大的優勢。

　　碳化矽器件的典型應用

　　1.5G基建——通信電源

　　通信電源是伺服器、基站通訊的能源庫，為各種傳輸設備提供電能，保證通訊系統正常運行。碳化矽MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，電源整體效率更高；碳化矽肖特基二極體反向恢復幾乎為零的特性使其在許多PFC電路中具有廣闊的應用前景。例如，在3kW高效通信電源無橋交錯PFC電路中，使用650V/10A碳化矽肖特基二極體，可以幫助客戶實現滿載效率大於等於95%的高技術要求。

　　2.新能源汽車充電樁——充電樁電源模塊

　　新能源汽車行業的快速發展帶動了充電柱的需求增長，對新能源電動汽車而言，提升充電速度和降低充電成本是行業發展的兩大目標。在充電樁電源模塊中使用碳化矽器件，可以實現充電樁電源模塊的高效化和高功率化，進而實現充電速度的提升和充電成本的降低。

　　3.大數據中心、工業網際網路——伺服器電源

　　伺服器電源是伺服器能源庫，伺服器提供電能，保證伺服器系統正常運行。在伺服器電源中使用碳化矽功率器件，可以提升伺服器電源的功率密度和效率，整體上縮小數據中心的體積，實現數據中心整體建設成本的降低，同時實現更高的環保效率。例如，在3kW伺服器電源模塊中，在圖騰柱PFC中使用碳化矽MOSFET可以顯著提升伺服器電源的效率，實現更高的效率要求。

　　4．特高壓——應用柔性輸電直流斷路器

　　特高壓作為大型系統工程，將催發從原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是輸電端特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術和變電端電力電子變壓器（PET）的關鍵器件。直流斷路器作為柔性直流輸電的關鍵部分之一，其可靠性對整個輸電系統的穩定性有著較大影響。使用傳統矽基器件設計直流斷路器需要多級子單元串聯，在直流斷路器中使用高電壓碳化矽器件可以大大減少串聯子單元數量，是行業研究的重點方向。

　　5.城際高鐵和城際軌道交通——牽引變流器、電力電子變壓器、輔助變流器、輔助電源

　　未來軌道交通對電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。採用碳化矽功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助於明顯減輕軌道交通的載重系統。碳化矽器件可以實現設備進一步高效率化和小型化，在軌道交通方面具有巨大的技術優勢。日本新幹線N700S已經率先在牽引變流器中使用碳化矽功率器件，大幅降低整車的重量，實現更高的運載效率和降低運營成本。
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