如今-碳化硅二極管在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

本文主要是講碳化硅二極管的應(yīng)用領(lǐng)域與歷史介紹，詳解碳化硅MOS管分類及結(jié)構(gòu)。

目前使用SiC 生產(chǎn)的半導(dǎo)體設(shè)備有多種，包括肖特基二極管（也稱肖特基勢(shì)壘二極管，或SBD）、J 型FET（或JFET），以及用于大功率開關(guān)應(yīng)用的MOSFET。Cree 在2011 年生產(chǎn)了第一款商用1200 V MOSFET。在此期間，一些公司也開始嘗試將SiC 肖特基二極管裸芯片應(yīng)用到電力電子模塊中。事實(shí)上，SiC SBD 已廣泛用于IGBT 電源模塊和功率因數(shù)校正(PFC) 電路。

SiC的利與弊

SiC 基電力電子元件如此吸引人的一個(gè)原因就是，在既定阻斷電壓條件下，其摻雜密度比硅基設(shè)備幾乎高出百倍。這樣就可以通過(guò)低導(dǎo)通電阻獲得高阻斷電壓。低導(dǎo)通電阻對(duì)高功率應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)閷?dǎo)通電阻降低時(shí)發(fā)熱少，從而減少了系統(tǒng)熱負(fù)荷并提高了整體效率。

但生產(chǎn)SiC 基電子元器件本身也存在一些難點(diǎn)，消除缺陷成了最重要的問題。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致SiC 晶體制成的元器件反向阻斷性能較差。除了晶體質(zhì)量問題，二氧化硅和SiC 的接口問題也阻礙了SiC 基功率MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體的發(fā)展。幸運(yùn)的是，生產(chǎn)中使用滲氮工藝可使造成這些接口問題的缺陷大大降低。

如今-碳化硅二極管在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.太陽(yáng)能逆變器

太陽(yáng)能發(fā)電用二極管的基本材料，碳化硅二極管的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于普通雙極二極管(silicon bipolar)技術(shù)。碳化硅二極管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速度非?？欤覜]有普通雙極二極管技術(shù)開關(guān)時(shí)的反向恢復(fù)電流。在消除反向恢復(fù)電流效應(yīng)后，碳化硅二極管的能耗降低70%，能夠在寬溫度范圍內(nèi)保持高能效，并提高設(shè)計(jì)人員優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率的靈活性。

2.新能源汽車充電器

碳化硅二極管通過(guò)汽車級(jí)產(chǎn)品測(cè)試，極性接反擊穿電壓提高到650V，能夠滿足設(shè)計(jì)人員和汽車廠商希望降低電壓補(bǔ)償系數(shù) 的要求，以確保車載充電半導(dǎo)體元器件的標(biāo)稱電壓與瞬間峰壓 ，之間有充足的安全裕度 。二極管的雙管產(chǎn)品 ，可最大限度提升空間利用率，降低車載充電器的重量。

3.開關(guān)電源優(yōu)勢(shì)

碳化硅的使用可以極快的切換，高頻率操作，零恢復(fù)和溫度無(wú)關(guān)的行為，再加我們的低電感RP包，這些二極管可以用在任向數(shù)量的快速開關(guān)二極管電路或高頻轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

4.工業(yè)優(yōu)勢(shì)

碳化硅二極管：重型電機(jī)、工業(yè)設(shè)備主要是用在高頻電源的轉(zhuǎn)換器上，可以帶來(lái)高效率、大功率、高頻率的優(yōu)勢(shì)。

SiC器件

一、SiC器件分類

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國(guó)的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對(duì)于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

二、碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時(shí)有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長(zhǎng)方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：

SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。

三、碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路來(lái)說(shuō)（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。

四、碳化硅MOS管的應(yīng)用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢(shì)，可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制，這是目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動(dòng)汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)汽車上。