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1、-商用碳化硅电力电子器件及其应用研究进展 理想的电力电子器件应当具有理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压;在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降;在开关状态和转换时，开、关时间短，能承受高的di/dt 和dv/dt，具有低的开关损耗，并具有全控功能。自晶闸管和功率晶体管问世和应用以来，硅半导体器件在功率处理能力和开关频率方面不断改善，先后诞生了GTR、GTO、MOSFET 和IGBT 等现代电力电子器件，对电力电子系统缩小体积、降低成本起到了极其关键的作用。然而硅电力电子器件经过近60 年的长足发展，性能已经趋近其理论极限，通过器件原理的创新、结构的改善及制造工艺的进步已经难以大
2、幅度的提升其总体性能，即将成为制约未来电力电子技术进一步发展的瓶颈之一。如何降低电力电子器件的能耗、提高温度极限已经成为全球性的重要课题。自上世纪90 年代开始，电力电子器件的研究人员就将目光转移到碳化硅、氮化镓等具有更优电气性能的宽禁带半导体材料上。碳化硅半导体作为一种典型的宽禁带半导体材料，其性能指标较砷化镓(GaAs)还要高一个数量级。经过过去数十年的发展，SiC 材料的质量、尺寸和成本都得到了极大地提升，成为功率半导体器件领域硅材料的一个可能的替代材料。它具有禁带宽度高、饱和电子漂移速度高、临界电场击穿强度高、介电常数低和热导率高等特征。基于碳化硅电力电子器件阻断电压高、工作频率高且耐
3、高温工作能力强，同时又具有开关损耗小和通态比电阻低的优势。因此，采用碳化硅电力电子器件可以大大降低装置的功耗、缩小装置的体积。特别是在高频、高温和大功率电力电子应用领域，碳化硅电力电子器件优异的电气性能使其具有硅半导体器件难以比拟的巨大应用优势和潜力。 1.SiC 电力电子器件的商业化进展 碳化硅半导体的优异性能使得基于碳化硅的电力电子器件与硅器件相比具有以下突出的优点： 碳化硅器件具有更低的导通电阻。在低击穿电压(约50V)下，碳化硅器件的比导通电阻仅有1.12u，是硅同类器件的约1/100。在高击穿电压(约5kV)下，比导通电阻提高到25.9m，却是硅同类器件的约1/300。更低的导通电阻
4、使得碳化硅电力电子器件具有更小的导通损耗，从而能获得更高的整机效率。 碳化硅器件具有更高的击穿电压。例如：商业化的硅肖特基二极管通常耐压在300V以下，而首个商业化的碳化硅肖特基二极管的电压定额就已近达到了600V ; 首个商业化的碳化硅MOSFET 电压定额为1200V ，而常用的硅MOSFET大多在1kV以下。 碳化硅电力电子器件具有更低的结-壳热阻，器件的温度上升更慢。 碳化硅器件的极限工作温度有望达到600以上，而硅器件的最大结温仅为150。 碳化硅器件抗辐射能力较强，在航空等领域应用可以减轻辐射屏蔽设备的重量。 碳化硅器件的正向和反向特性随温度的变化很小，具有更高的稳定性。碳化硅器件
5、开关损耗小，在几十千瓦功率等级能够工作在硅器件难以实现的更高开关频率 (>20kHz)状态。这些突出的优势激励着研究人员不懈的研究和开发出高性能的碳化硅电力电子器件，并积极推进其商业化进程以得到更广泛的应用。2001 年英飞凌公司推出首个商业化的碳化硅肖特基二极管，拉开了碳化硅功率器件商业化的序幕。国际上各大半导体器件制造厂商相继推出自己的碳化硅功率器件。 2. 碳化硅肖特基二极管 肖特基势垒二极管(SBD)作为一种单极性器件，在导通过程中没有额外载流子注入和储存，因而基本没有反向恢复电流，其关断过程很快，开关损耗很小。但是硅的肖特基势垒较低，硅SBD 的反向漏电流偏大，阻断电压较低，只
6、能用于一二百伏的低压场合在电压较高的场合通常采用PiN 二极管，但其反向恢复电流较大，开关损耗大。由于碳化硅材料的临界雪崩击穿电场强度较高，制作反向击穿电压超过1000V的碳化硅SBD 相对比较容易。 基于SiC 的这些独特优势，Cree 等半导体器件商生产出单个器件电流等级1-20A，电压等级为300V、600V 和1200V 的高压SiC 肖特基二极管产品，表1给出了目前国际上主要的碳化硅SBD 制造商和其商业化器件的水平，其中Cree 公司刚刚推出其最新的1700V 电压等级的碳化硅SBD。在高压开关应用中，SiC 肖特基二极管能提供近乎理想的性能。它几乎没有正向恢复电压，因而能够立即导
7、通，不同于结电容，它的储存电荷也非常小，能迅速关断。尽管其导通压降不为零，但对于电压定 额为600V 的器件其所占的百分比也仅为0.25%。SiC肖特基二极管的结电容产生的微小反向恢复电流导致的功率损耗比Si 超快恢复二极管低好几个数量级。由于少数载流子的寿命随温度升高而增强，Si 快恢复二极管的反向恢复性能随温度上升而下降，而SiC 肖特基二极管几乎不随温度变化。事实上，其反向恢复性能与温度、正向电流和开关di/dt 无关。针对不同的应用场合，各公司分别推出了TO-220、TO-247 和TO-263 等多种封装形式的器件，对于特殊应用需求，还提供裸芯片，以方便用户根据应用要求自行封装。同时
8、，由于SiC 肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数，可以不降低定额进行并联应用。这就允许将两个二极管封装在一起(共用一个引脚)，用户可以选择单独使用两个二极管，也可以将两个二极管并联应用从而达到两倍的器件定额。这种模块封装可以集成多个二极管以扩大定额，也可以将SiC 二极管和Si IGBT 和MOSFET 集成以形成大功率开关组合。由于这种方式和现有器件的组合非常灵活，因而能满足很多大功率的应用场合。德国IXYS 公司9推出了碳化硅肖特基整流桥，其产品采用四个SiC 肖特基整流二极管以全桥形式集成封装而成，应用ISOPLUS i4-PAC 的封装形式，如图2所示。由于SiC 肖特基 二极管和这
9、种封装形式(引脚和散热器之间具有低的耦合电容)的独特优势，其推荐的应用场合为高端开关电源的输出整流器和其他高频整流器场合。 今后SiC 肖特基二极管将向更高电流等级和更小的反向恢复损耗发展，同时随着制造工艺的不断改进，成本也会不断降低，这些都将进一步推广其在电力电子装置中的应用。 3. 碳化硅功率晶体管 由于JFET 避免了碳化硅MOSFET 存在的沟道电子迁移率问题、氧化层击穿和稳定性等问题，因而很快受到了碳化硅功率器件开发人员的重视。虽然硅JFET 在功率器件中远不如硅MOSFET 的应用面广，但碳化硅JFET 却以其优良特性和结构与制造工艺的相对简化而在碳化硅功率MOS 之前进入了试验性
10、应用阶段并成功实现了商业化。 美国SemiSouth 公司对碳化硅JFET 进行了深入的研究，是目前国际上商业化碳化硅JFET 器件的主要供应商，其SiC JFET 产品的最高电压定额达到1700V，最大电流定额为30A。SiC JFET 产品分为常开沟道型(normally-on)和常闭沟道型(normally-off)两种，其中常闭沟道型能够与现有的标准栅极驱动芯片相匹配，而常开沟道型则需要负压维持关断状态，实际应用中需要较为复杂的门极驱动保护电路或者与硅MOSFET 组成cascode 型结构以具有常闭特性。增强型SiC JFET 的主要优点包括：具有正温度系数易于并联;开关特性与温度无
11、关;通态电阻小(几十到几百毫欧);低本征电容，栅极电荷要求低;没有拖尾电流，开关速度快且没有体二极管。 由于硅MOSFET 的优越特性和成功应用，碳化硅MOSFET 成为碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。美国的Cree 公司率先在碳化硅MOSFET 研究方面取得突破，推出了10A/1200V 和20A/1200V 两款商业化的碳化硅 MOSFET 产品，成为目前国际上唯一提供商业化分立碳化硅MOSFET 的厂商。目前，日本的罗姆公司也正在积极推进其碳化硅MOSFET 的商业化进程。这些最初的SiC N 沟道DMOSFET 主要针对1200V 的应用场合，这个电压等级SiC MOSFET比
12、现在的Si 器件具有更大的优势。碳化硅MOSFET的突出优势体现在：1200V 等级器件的通态电阻小于200m;低电容，开关速度快;驱动电路简单;正温度系数易于并联。因而，应用碳化硅MOSFET 能够提高系统的效率，降低散热需求，提高开关频率且增加雪崩强度。这些优势决定了其在太阳能转换器、高压DC/DC 变换器和电机驱动等领域中具有广阔的应用。虽然Cree 公司的碳化硅MOSFET 已经超越了Si基MOSFET 的最高电压值的限制，但与预期的高压硅基MOSFET 在特性上还存在一些差别。这些差别需要仔细的研究才能从碳化硅MOSFET 器件中获得最优的性能。也就是说，尽管碳化硅MOSFET 与硅
13、基MOSFET 相比是一个卓越的开关器件，但不能理解为它能够对现有的硅器件的应用进行一个直接插入式的替换。 在应用SiC MOSFET 时，要记住两个关键性的特性：适度的跨导和没有关断拖尾电流。适度的跨导要求设计合理的栅极驱动电路。而SiC MOSFET 的一个重要的好处是消除了出现在硅基IGBT 中的拖尾电流。但是，电流拖尾在关断过程中能够产生某种程度的寄生抑制是作用。而在使用SiC MOSFET 代替硅基的IGBT 时可以明显的看到额外的谐振和电压过冲。额外的电压过冲可能会损坏器件，因此， 处理输出缓冲器来防止谐振和过冲问题是非常关键的。除分立的MOSFET 器件以外，美国的PowerEx
14、半导体公司6还推出了两款商业化的碳化硅MOSFET模块(100A/1200V)，具有很高的功率密度，如图3所示。这两款MOSFET 模块设计用于高频场合，每个模块由两个分立碳化硅MOSFET 芯片以半桥结构组成，每个MOSFET 配置一个反并联的快恢复肖特基二极管。所有的部件和导线都与散热器基板隔离，提供了简化的系统装配和热管理，最大结温能够达到200。 4.SiC 电力电子器件的应用 开关电源 随着材料与器件工艺以及封装问题的解决，碳化硅电力电子器件商业化进程不断推进，正逐渐走向实用化阶段，碳化硅器件的卓越性能吸引了越来越多的研究人员的目光。碳化硅器件也得以在更多的应用领域中进行尝试，并取得
15、了令人惊奇的应用效果。 未来SiC 肖特基二极管最大的应用之一是CCM功率因数校正(PFC)电路。在计算机和通信中应用的传统离线式AC-DC 电源的交流输入可以视为大的电感(变压器)负载，它使得输入的功率因数远低于 因而规定要采用PFC 电路使交流输入线路的功率因数接近1。此外，很多小型的开关电源也采用PFC电路以满足新的效率标准。典型的Boost PFC 电路的简化原理图如图4 所示。图中Boost 二极管关断暂态时，二极管中多余的反向恢复电流不仅对二极管自身的开关损耗有影响，还对MOSFET 的开通损耗有影响，这将导致MOSFET 和Boost 二极管采用更大尺寸的芯片来满足效率和散热要求
16、。而SiC 肖特基二极管的零反向恢复电流对这种应用是十分理想的，将给系统带来高效、低EMI 噪声、小散热器体积和PCB 面积等好处。 为了说明SiC 肖特基二极管在PFC 电路中的应用优势，Cree、SemiSouth、意法半导体和英飞凌等公司都应用超快恢复的Si 二极管和SiC SBD制作了相应的PFC 测试电路。这些测试的实验结果都得出了相近的结论。 由于SiC SBD 的低反向恢复损耗，在半载和满载时的测量结果都表明SiC 二极管的应用能使电路的开关损耗大幅减小。损耗的降低带来了系统效率的提高，图5 给出了基于Si 和SiC 二极管的PFC 电路的整体效率。SiC 二极管使系统的半载效率
17、从88.4%提高到95%，满载效率从90%提高到93%。显然，SiC SBD稍高的通态损耗导致了满载时效率的提升幅度相对较小。 除损耗和效率外，还对基于不同二极管和有无风扇的MOSFET 的壳温进行了测量比较。结果表明，没有风扇时上电1000s 左右后，基于Si 二极管的PFC 电路的MOSFET 壳温达到127，而应用SiC SBD 使MOSFET 的壳温下降了41。应用风扇以后，基于 L DiodeSi 二极管的PFC 电路的MOSFET 壳温为50，而应用SiC SBD 后仅40，这为恶劣环境下的电路设计预留了更多的热设计裕量。 效率的提高意味着采用相同的设计传输更高的功率，同时降低了系
18、统散热器的要求，从而提高了系统的可靠性。效率的提高也可以转化为变换器工作频率的提高，高频PFC 变换器与原变换器采用相同的设计并保持相同的效率，因而频率的提高 带来的优势体现在Boost 电感的尺寸和其他对频率敏感的元件上。令人奇怪的是EMI 滤波器尺寸的减小。针对低频PFC 的EMI 滤波器大多需要额外的差模电感来衰减开关频率以下的干扰。与此形成对比的是，高频PFC 的EM滤波器只要靠共模电感的漏感就能实现远低于开关频率的低通滤波器。通过细致的电气设计和PCB 布线，不仅能使SiC 变换器在高频下可靠工作，而且提高了系统的整体性能。SemiSouth 公司还将SiC JFET 应用于PFC
19、电路中，对仙童公司的FEB-109 型号300W 离线式CCMPFC 电路进行了改进，600V/34A IGBT 被800V/11AEM SiC JFET 取代，Si 二极管被SiC SBD 取代，并且改变了驱动部分的电阻和电容。实验结果表明采用低电流定额的SiC JFET 可以获得比高电流定额的IGBT更高的效率，提高系统的性能。 5.结论 经过20 多年的发展，虽然碳化硅器件目前还存在如产量低、价格高、商业化器件种类少和缺乏高温封装等问题，但商业化碳化硅电力电子器件所展现出的令人惊奇的性能已经受到了普遍的关注。随着碳化硅电力电子器件技术的研究的不断深入，这些问题将逐渐得到解决，更多更好的商用碳化硅电力电子器件将推向市场，必将大大拓展碳化硅电力电子器件的应用领域。同时，纵观电力电子的发展历程，新器件的诞生会带来整个电力电子行业的重大革命，在不久的将来，碳化硅功率器件将成为各种变换器应用领域中减小功率损耗、提高效率和功率密度的关键器件。