SIC碳化硅SIC二極管器件的作用與發(fā)展趨勢

什么是碳化硅二極管

通常大家所用的基本都是以硅為原料的二極管，但是最近比較熱門的碳化硅二極管是用碳化硅為原料的二極管。目前常見的多為高壓的肖特基碳化硅二極管，其優(yōu)點：反向恢復(fù)特性很好，媲美肖特基硅二極管。但是可以做高壓的二極管。在PFC中已有較多應(yīng)用。缺點：正向?qū)▔航当容^大。還有一點與硅二極管不同的是其導通壓降隨溫度上升反而增大。早期的碳化硅二極管，還有可承受沖擊電流小，可靠性不高等缺點。但是目前已有很大改善。

碳化硅材料以其優(yōu)異的性能被行業(yè)列為第三代半導體材料，其擊穿場強是硅的10倍，熱導率是硅的2.5倍。用碳化硅材料制作的MOS器件可在大于200度的高溫環(huán)境下工作，具有極低的開關(guān)損耗和高頻工作能力，減小模塊的體積和重量，顯著提高系統(tǒng)的效率，有利于節(jié)能降耗，廣泛應(yīng)用于風光發(fā)電、光伏逆變、UPS儲能、新能源汽車、航天軍工等高科技領(lǐng)域。

SiC 功率模塊

碳化硅功率模塊是全球電力電子器件大型企業(yè)目前重點的發(fā)展方向。碳化硅功率模塊已經(jīng)在一些高端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步應(yīng)用，包括高功率密度電能轉(zhuǎn)換、高性能電機驅(qū)動等等，并具有廣闊的應(yīng)用前景和市場潛力。在碳化硅功率模塊領(lǐng)域，首先開始研發(fā)的是基于碳化硅功率二極管和硅基IGBT的混合功率模塊。第一個實現(xiàn)商用的采用碳化硅二極管和硅基IGBT的高功率模塊是Infineon公司的PrimePACK產(chǎn)品。隨著碳化硅器件的進步，全碳化硅功率模塊不斷被研發(fā)出來。美國Cree公司報道了阻斷電壓10kV，電流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通過并聯(lián)模塊得到100A的電流傳輸能力。2009年美國Cree公司與Powerex公司開發(fā)出了雙開關(guān)1200V、100A的碳化硅功率模塊，該模塊由耐高壓和大電流的碳化硅的MOSFET器件和碳化硅肖特基二極管組成。2011年，美國U.S. Army Research Laboratory研發(fā)了用20個80A的SiC MOSFET以及20個50A SiC肖特基二極管制作了一個1200V/800A的雙向功率模塊。該模塊用作全橋逆變并與Si器件比較實驗，結(jié)果表明功率損耗至少降低40%，在同樣輸出電流等級情況下SiC的模塊可以工作在Si模塊的4倍頻狀態(tài)。該模塊預(yù)計用于電動汽車領(lǐng)域。2012年，日本富士電機公司研發(fā)基于SiC MOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模塊。該模塊采用新型無焊線設(shè)計、氮化硅陶瓷作襯底制作，可以在200°C高溫工作作，并且類似倒裝芯片的壓接式設(shè)計使得該模塊與起傳統(tǒng)的鋁線鍵合模塊相比具有內(nèi)電感低的特點，同時損耗更低，與傳統(tǒng)同功率IGBT模塊相比具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，大小約為原先的1/2。2012年日本羅姆公司開始推出全碳化硅功率模塊，這些全碳化硅功率模塊組合了碳化硅MOSFET器件和肖特基二極管，利用高速開關(guān)及低損耗的特性，可替換原來額定電流為200～400A的硅基IGBT模塊。因器件散熱性提高，使得裝置的體積縮小了一半，并且發(fā)熱量小，可縮小冷卻裝置，實現(xiàn)裝置的小型化，同時可以將電力轉(zhuǎn)換時的損耗削減85%以上，大幅削減工業(yè)設(shè)備的電力損耗。全碳化硅MOSFET（或JFET）模塊的優(yōu)良特性使它具備在10kV以下的應(yīng)用中取代硅基IGBT的巨大潛力，取代的速度和范圍將取決于碳化硅材料和器件技術(shù)的成熟速度和成本下降的速度。

小結(jié)

碳化硅電力電子器件在提高電能利用效率和實現(xiàn)電力電子裝置的小型化方面將發(fā)揮越來越大的優(yōu)勢。碳化硅電力電子器件能提高電能利用的效率，來實現(xiàn)電能損失的減少，因為相對于硅器件，碳化硅器件在降低導通電阻和減小開關(guān)損耗等方面具有優(yōu)勢。比如，由二極管和開關(guān)管組成的逆變電路中，僅將二極管材料由硅換成碳化硅，逆變器的電能損失就可以降低15～30%左右，如果開關(guān)管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。利用碳化硅制作的電力電子器件具備三個能使電力轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)小型化的特性：更高的開關(guān)速度、更低的損耗和更高的工作溫度。碳化硅器件能以硅器件數(shù)倍的速度進行開關(guān)。開關(guān)頻率越高，電感和電容等儲能和濾波部件就越容易實現(xiàn)小型化;電能損失降低，發(fā)熱量就會相應(yīng)減少，因此可實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化;而在結(jié)溫方面，硅器件在200°C就達到了極限，而碳化硅器件能在更高結(jié)溫和環(huán)境溫度的情況下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉(zhuǎn)換器的冷卻機構(gòu)。

隨著碳化硅電力電子器件的技術(shù)進步，目前碳化硅器件相對于硅器件，不僅有性能的巨大優(yōu)勢，在系統(tǒng)成本上的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)美國公司的評估，與使用硅IGBT和硅二極管相比，使用該公司的第2代SiC MOSFET和SiC二極管能夠降低升壓轉(zhuǎn)換器的總成本。具體來說，通過提高開關(guān)頻率來縮小電感器、降低電感器的成本，可使總成本壓縮到比使用Si功率元件時更低的程度。以10kW級的升壓轉(zhuǎn)換器為例，按照Cree公司估算的結(jié)果，如果使用Si功率元件，在20kHz下開關(guān)，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驅(qū)動的話，成本將分別降至170美元、163美元。使用SiC功率元件有望降低電力轉(zhuǎn)換器的總成本。

在電力電子器件應(yīng)用的眾多領(lǐng)域，比如輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力機車、混合動力汽車、各種工業(yè)電機、光伏逆變器、風電并網(wǎng)逆變器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個人電腦等，碳化硅器件將逐步地展現(xiàn)出其性能和降低系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢。作為下一代電力電子器件的主要方向，碳化硅電力電子器件將為電力電子帶來重要的技術(shù)革新，并推動電力電子領(lǐng)域在今后二、三十年的發(fā)展。

來源：壹芯微科

審核編輯 ：李倩