基于碳化硅的大功率电力电子器件

# 技术文库 2013-07-29 15:02 来源：中国电力电子产业网

　　要：功率半导体器件是“智能”功率电子技术的关键元件。与硅功率器件相比，碳化硅功率器件能够阻挡更高的电压，具有更低的寄生电阻和小得多的物理尺寸，所以响麻时间更短。更快的开关速度不但提高了功率系统的转换效率。而且能够使用更小的变压器和电容器，大大减小了系统的整体尺寸和质量。而且，碳化硅的耐高温特性大人地降低丫冷却需要，而这些冷却设备也是功率转换和传送系统中的很人一部分。因此，碳化硅器件有望从本质上提高电力传送效率和使用效率。本文对碳化硅材料特性做丫简单的介绍，进而深刻丫解碳化硅器件的物理和电气特性。就下列五种电力系统中主要应用的中、大功率SiC功率器件的电气特性水甲和初步应用等主要问题作一评述：

　　(1)碳化硅二：极管(2)碳化硅电力场效应管(SiC.MOSFET)(3)碳化硅晶闸管和碳化硅门极可关断晶闸管(SiC.GTO)(4)碳化硅绝缘栅双极晶体管(SiC.IGBT)(5)碳化砖门极换流自关断晶闸管(SiCGT)。关键词：电力电jr器件，宽禁骷半导体器什，碳化硅，二极管，电力场效应镎，晶闸管，绝缘栅双极晶体管，门极换流自关断品闸管提高电力电子装置与系统性能潜力已寸‘分有限。在这种情况下，性能远优于普遍使用的硅器件的碳化硅(SIC)器件受到人们青睐。SiC器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率，适于在恶劣条件下工作。特别是与传统的硅器件相比，日前已实用的SiC器件可将功耗降低一半。由此将减少设备的发热量，从而可大幅度降低电力变换器的体积和重量。其缺点是制备工艺难度大，器件成品率低，因而价格较高，影响了其普通应用。近几年来，实用化和商品化的碳化硅肖特基势垒功率二极管，以其初露的优良特性证实了半导体碳化硅在改善电力电+了器件特性方面巨大的潜在优势。最近，有Cree公司报道了耐压近2000V,电流大于100A，T作温度高于200℃的晶闸管【l】。这一报道被视为大功率SiC电力电了器件发展的～个里程碑，为将来大面秋的SiC晶闸管和SiC.GTO在柔性交流输电和高趣直流输电的应用奠定了基础。

　　0引言

　　1碳化硅(SiC)的优异特性随绿色经济的兴起，节能降耗已成潮流。据统计，60%至70%Irl勺电能是在低能耗系统中使用的，而其一}，绝人多数是消耗’j：电力变换垌l电力驱动。在提高电力利用效率中起关键作用的是功率器tl：，也称电力电子器tI：。如fuJ阶低功率器什的能耗已成为全球性的重要课题。同时，借助.丁.微电f技术K足发展，以碎器件为基础电力I乜。f技术闪人功率场效应品体管(功率MOS)和绝缘栅舣极品体管(IGBT)等l也力电子器件的开关性能已随其结构设计和制造.1：艺卡H当完善而接近其由材料特性决定理论极限，依靠硅器件继续完善乖II就电力电子器件而言，辞材卡：}并不是最理想的材料，比较理想的材料应当是，临界雪崩击穿电场强度、载流子饱和漂移速『殳和热导牢都比较高的宽篆带’卜导体材料，这种栩料比较典型的有砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)等。特)jIJ是碳化辟肖特坫j：极管在奉世纪初投放Il』场并获得良好的实际应用效果后，进。。步增强。厂人们大力发展SiC电力电子器件的信心。表l概括了SiC材料的丰要物理参数。

　　泣：以4H.SiC的值为例。

　　迄今为JI■观察剑的碳化¨同质肄品肜态就订日余砷之多『21，但l登的||_j紊异杜J恤为3C.SiC.4H—SiC用16H.SiC_种。6H.SiC目14H.SiC禁带宽度分刖商逃3 0eVil3 25eV，相应本征温I蹙【u“选800℃“l’：却使足禁时最中3c—sic，其祭带宽膛也2 3ev九也。U村，摘川的碳化件嚣件多>【J4H.SiC。川碳化砷做成器¨，其r作湍皮有可能超过600℃『31，而H其电学特性不会受到人的影响。功#扦咒器件反向}U叭承受儿o J漂移区(∞微器件)或4__：医(双投器什)的K度和IUm半仃咒，ll_j单撇功牢开戈器¨通志比Hl“}必九接决，t j漂工善kKJ4g-ll电·}l率，‘J制造利抖fr穿fU场强眨“订啦反比f41。他用c}-穿‘U场强¨t“自f|，I¨判制作目m功率●f戈，1IIU虬率小心选样太∞，器件t票穆批jt坫区一必AK.掣L咛半：^__!l』仕碳化娃器¨⋯以.：，，蹦下K刑}·J张止I”此外，蹦化☆_j前ⅢrJ“JIJ《睛L化，』.7】J戊H cW-唾0、1m‘L化物化☆物1‘导体。这使其电可以象硅一样M米制造MOSFET)fIIIGBT这样古商MOS结掏器州【5】。碱化¨器什订砒盯的反问恢复特性。如幽1昕1;161，与Si器付桐比，SiC极管有搬4、的反向恢复电流和极jii的方向恢复叫问。存较低的_1_穿I也爪(～50v)情况J、，单擞SiC器件的通态‘UHI小J二s1器件的I/100.d.较{q的c{-穿IU爪(～5000V)情况r.巾橙SiC器件的通奄lU川4、rSi器件的1/30017]。如罔2所小【6】，s记器件鞍小的迎卷LU阻，因此n鞍小的通卷损耗，和_I三H的设半。

　　图2-MOSFET的通态电阻{口通态损耗随温度变化的曲线红色线代表Si-MOSFET蓝色线代表SiC—MOSFETv轴为对数坐标可见Si—MOSFET器件在423K【150 C-以上不能正常工作，

　　2 SiC电力电子器件的发展嗵葑九，c钉‘#化h;mIijh-f iii，U足nb.j川iH.SiC H 4I|.SiC外逛Jz÷q rK披牝紧劬儿后成功应用，各种碳化硅功率器件研究和开发即蓬勃开展起来。目前，各种功率器件都已证实可改用碳化硅来制造。尽管产量、成本、以及可靠性等问题仍对其商品化有所限制，但碳化硅器件替代硅器件过程已经开始。现在，在电力系统中主要应用的有硅的二极管，电力场效应管，晶闸管和门极可关断晶闸管(GTO)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)，集成门极换流晶闸管(IGCT)，与其一一对应的有碳化硅的二极管，SiC.MOSFET，SiC.GTo，SiC.IGBT，和SiCGT。

　　2.1 SiC二极管

　　碳化硅pn结二极管通常用液相外延法或气相外延法制成p+n.n结构，分平面型和台面型。由于pn结之问的高阻n层，也常称为PIN--极管。目前，接近20kV碳化硅PiN二极管已见报道。口本Sugawara研究室采用JTE(JunctionTerminationExtension)终端技术【8】，用4H.SiC做出了12kV和19kV台面型pin二极管。2006年，Cree公司公布了180A/4500V的4H.SiC PIN--极管，其：毒片尺寸为13.6mmx13.6mm，通态压降为3.17V。

　　目前，对大功率碳化硅肖特基势垒二极管研究丌发已达到小面积(直径0.5mm以下)器件反向阿【断电压超过4000V，大面积(直径超过1mm)器什也能达到1000V寿右水平。例如，200l印中已有140A/800V4H.SiCJBs报导【9】。I司印另～报导中，反向电艟高达1200V 4H—SiC肖特基势垒_极管己做到直径3mm，其JE向电流密度高达300A·cm.2，向相应的止向压降为2V【10】。2008年，Rohm公司公布丫300A/660V的4H—SiC肖特基：极管，其：&片尺寸为10mm×10ram，通念厣降为1.5V。

　　2.2碳化硅场效应器件

　　碳化硅功率MO S F E T结构上一!j硅功率MOSFET没有太人fx-别，一般比都采JtJDMOS或UMOS结构。采)4IACCUFET绵构设汁，2000j1：-已有用4H.SiC实现阻断电压2000V以上，最高可达7000V撤导，其通态比电阻要比硅ACCUFET低250倍【11】。就应用要求而言，电力电子器件除了要尽可能降低静态和动态损耗外，还要有尽可能高的承受浪涌电流(电流在数f+毫秒的瞬问数倍于稳态值)的能力。由于浪涌电流会引起器件结温的骤然升高，通态比电阻偏高的器件，其浪涌电流承受力注定非常低。由于单极功率器件的通态比电阻随其阻断电压的提高而迅速增大，硅功率MOS只在电压等级不超过lOOV时才具有较好的性能价格比。尽管硅IGBT在这方面有很大改进，但其开关速度比功率MOS低，不能满足高频应用的需要。理论分析表明，用6H.SiC和4H.SiC$IJ造功率MOS，其通态比电阻可以比同等级的硅功率MOS分别低100倍和2000倍[12】。2006年，Cree公司公布了5A/10 000V的4H.SiC MOSFET，其通态压降为3.76V。

　　2.3 SiC晶闸管，SiC.GTO

　　与硅品闸管类似，作成pnpn结构，即构成碳化硅晶闸管。这种器件兼顾丌关频率、功率处置能力和高温特性方面最能发挥碳化硅材料特长。与碳化硅功率MOS相比，对3000V以上哪}断电雎，其通态电流密度可以高出几个数量级，特别适合于交流丌关方面应用。直流丌关方面应用，则是碳化硅GTO之所长。当前对脚I断电j盘4500V以上GTO需求量很人，最近对碳化硅品l'甲J管研发活动开始向GTO集中。2000：[-已有阻断电压高达3 l 00V，50℃下关断增益仍高达4l的4H—SiC GTO报道【13】。与传统V,jsi—GT0卡H比，SiC.GTO uJ‘以柏：高温.I：作，具有更伙的开关响麻硐l更高的阻断能力。主婴冈为SiC材料具有较宽的禁带宽度、高的临界电场、高的热传导率。尽管SiC器件巾载流子的寿命为Si器件中低15倍，但仍可在器件的漂移区产牛充分的电导调制。而且，SiC器件不需要像Si器件那样，在快丌关速度和通态雎降111J进行折衷，因为SiC器件

　　州时具仃快的开芙建艘和低的通卷损牦u

　　2005年，cree公川搬逆r耐压犬十I 770ufU流人J‘100A，L作温度高于200℃的舳刚管『11，为将柬大H寸的SIC品川1+和slc.GTO枉粜fj：交流输电和岛压n流输电的应用奠定丁琏础。谖出闸管存常温下订根小的漏电流，存1770V的一向『n压r，漏电流仪为40u A。往罔3为SiC品闸骨，出片封装后的外观灶芯片内匍：剂㈨不愆罔。图4为这刊·-苎片仵小同湍鹰F的l川u伏雀特件曲线。-Ⅱ以看⋯，舟『U流为1 00A时，200℃曲线和100%ⅢI线发生交叠，这意味精碳化砖品闸竹舟^电流情批f、的逋态H、降扎朽i F"潞瞳特性，这样就会像功#MOS器件那样能够“动均流，自利于并联使卅。诬过3个”¨的并联测试.文献『11己验1m1 50A的电流能够较均q的分流舟符个&片上。

　　2.5 SiC GCT(SJCGT)f-j极换流晶闸管

　　门极换流自关断晶闸管(GCT)兼有GTO和IGBT的特长，因为它们能调制电导和通态电压，而且是负温度系数。因此，碳化硅GCT(SICGT)的开发也很受关注，因为高压输电设备中特别需要耐压12.5kV以上的高压大电流开关器件，而硅器件很难满足这个要求。目前，SiC功率器件中，单芯片最大电流容量的器件是sicGT。2006年，关西电力与Cree联合研制的SICGT的j枣片面积扩大到8mmX8mm，其通态电流可达200A，额定电流(120A)下的室温压降小于5V，4.5kV阻断电压下的高温(250℃)漏电流密度不到5u A/cm2。该器件有很好的动态特性，其开通时间为0.3us，关断时间为1.7us。目前，SICGT已应用于180kVA三相变频器[16】。

　　3.SiC器件开发应用现况

　　据文献报道，从2008年开始，宽带隙半导体电子器件将以每年30%的增长速度逐年递增，这一高速增长的势头会一直保持至U2012年。至1J2012年，宽带隙半导体电子器件的巾.场份额将会接近3亿美元【17】。目前，SiC主要着眼于电源与发动机控制系统应用，其器件技术已逐步趋于成熟。现在，输m为100A的SiC二极管大批量问世，2009年SiC.MOSFET晶体管已经可以量产。目前，SiC器件已被用于混合动力汽车和电动汽车设备一lla 2008年，|I术十.⋯公州丌发出丫SiC二极管逆，叟器，应用于X.TRAIL FCV型汽车进行道路行驶实验。I川月，本阳汽车公司已JHsic器件制出了电源模块模块。2009;b n木丌发的SiC变频空调在市场.}：销售。|_l本关西电力公司，丌.发出SiC逆变器，用十阳光发电。几产汽车丌发出了5毫米见方的SiC和硅的芹构结二极管，电流容量可超过100A。在岁姘公司协作下，口产汽车还丌发出I-2皂米见办的SIC-.檄管，电流容量也能达到100A。据日本三菱公司的试验表明，电力变换器中使用的硅基耐压600V快速恢复二极管和IGBTIGBT。如果用SiC SaD(肖特基势垒二极管)和MOSFET管代替，功耗可降50%，甚至70%。2008年，该公司开发了内置有效面积3mm×3mm的Si C MOS F ET和SiC SB D转换电路，以及5ramX5mm的SiC SBD整流电路的功率模块。该模块与Si功率模块相比，功率损耗降低50%，面积仅为1/4，实现小型化目标。罗姆公司于2007年l 2月开发成功凹槽型SiC MOSFET和SiC SBD。3 X3ram：卷片的导通电流超过l 00A。欧姆阻抗值是目前Si.DMOS的1/85，Si.IGBT的1/5，大幅度降低了功率损耗。2008年开发出了10×10 mm SiC.SBD，在顺向电压1.5V下导通电流为300A，逆向耐压为660V。2009年，美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关开关l 200伏、l 00安培的Sic功率模块。其由耐高压和大电流的SiC的MOS场效应晶体管和SiC肖特基二极管肖特基二极管组成。美国Cree公司和日本罗姆公刊在业界领先生产SiC的MOS场效应晶体管。SiC晶体管的结构I：tsic二极管复杂、因此成品率低、价格贵、影响其普及。然而对于耐压1200伏的应用，SiC晶体管对于硅基晶体管的成本优势己很明.镀。专家指出，对于耗电大户的信息业的数据巾心，目前采用SiC器件在一年内可收回投资。

　　4.结语

　　纵脱电，』J电子技术的发展，饵一‘次新型半.导体材料的开发和应用都能促进}也/J电’r系统与电力电子器件技术的革新。同样，碳化“{：材料卓越性能和碳化硅器件初露优良特性及其更大潜优势激励着人们对之抱有不减热情和希望。最近几年，SiC功葺夏器件发现的新效应和创新设计，初步解决了SiC功率器件的正向压降退化和SiC—Si02界㈨态久佳的重人问题。同时，器件芯片可利JfJ的基于碳化硅的大功率电力电予器件有效面积已I南mm2级提升到cm2级，有力地改善了器件的性能和推进了器件应用的研发。对于电力系统应用来说，碳化硅材料优势并仅提高器件耐压能力，更重要还其能大幅度降低功牢消耗潜力。已上市碳化硅肖特摹势垒二极管和仍实验室里其他碳化硅功率器件都证实了这一点。碳化硅与硅电力电子技术领域竞争另一优势是能够兼顾器件功率和频率，以及耐高温。可以预言，SiC功率件及其电力系统应用的兴旺时期不久将会到来。

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