簡(jiǎn)述碳化硅SIC器件在工業(yè)應(yīng)用中的重要作用

電力電子轉(zhuǎn)換器在快速發(fā)展的工業(yè)格局中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們的應(yīng)用正在增加，并且在眾多新技術(shù)中發(fā)揮著核心作用，包括電動(dòng)汽車(chē)、牽引系統(tǒng)、太空探索任務(wù)、深層石油開(kāi)采系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域的進(jìn)步。

電力電子轉(zhuǎn)換器在快速發(fā)展的工業(yè)格局中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們的應(yīng)用正在增加，并且在眾多新技術(shù)中發(fā)揮著核心作用，包括電動(dòng)汽車(chē)、牽引系統(tǒng)、太空探索任務(wù)、深層石油開(kāi)采系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域的進(jìn)步。

電力電子電路不斷發(fā)展以實(shí)現(xiàn)更高的效率，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等電力電子設(shè)備為令人興奮的創(chuàng)新打開(kāi)了大門(mén)。硅（Si）基功率器件長(zhǎng)期以來(lái)一直主導(dǎo)著市場(chǎng)，但由于較低的帶隙和電擊穿場(chǎng)，其性能已達(dá)到極限。因此，開(kāi)關(guān)頻率、阻斷電壓和工作溫度存在限制。

隨著采用寬帶隙（WBG）材料設(shè)計(jì)的革命性新器件的引入，可以克服這些限制。碳化硅（SiC）是一種寬帶隙材料，已經(jīng)上市約二十年。SiC的固有載流子密度要小得多，允許高溫操作。此外，SiC的非常高的臨界電場(chǎng)使我們能夠設(shè)計(jì)額定值大于10 kV的設(shè)備。SiC器件的另一個(gè)理想特性是高開(kāi)關(guān)速度和低寄生電容。這是因?yàn)檩^小的理想比傳導(dǎo)電阻允許SiC芯片小于Si器件。

SiC功率器件最重要的優(yōu)勢(shì)之一可能是它們能夠在更高的溫度下工作。例如，目前正在設(shè)計(jì)電動(dòng)飛機(jī)，因此動(dòng)力電子轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)將需要在熱發(fā)動(dòng)機(jī)附近承受高溫。同樣，電動(dòng)汽車(chē)的溫度也可能在很寬的范圍內(nèi)變化。功率器件在惡劣環(huán)境中工作的能力對(duì)于許多新興工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。幸運(yùn)的是，與硅器件相比，第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）和SiC功率器件表現(xiàn)出越來(lái)越優(yōu)越的特性。從理論上講，SiC器件的WBG是硅的三倍，因此可以實(shí)現(xiàn)約600°C的結(jié)溫。

以下是對(duì)有前途的碳化硅功率器件的簡(jiǎn)要介紹。

二極管

碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）是2001年上市的第一款商用碳化硅功率器件。SBD是SiC材料和肖特基二極管結(jié)構(gòu)的組合，是Si PIN二極管的完美替代品。SBD優(yōu)于Si PIN二極管的最重要特性是其快速反向恢復(fù)特性。它不僅有望提高效率，而且由于反向恢復(fù)電流低，二極管關(guān)斷期間的轉(zhuǎn)換器振蕩和電磁干擾（EMI）問(wèn)題也減少了。

該二極管的另一個(gè)變體是SiC結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（JBS）。大多數(shù)商業(yè)化的SiC二極管都基于JBS結(jié)構(gòu)，其中幾個(gè)P+區(qū)域組合成肖特基區(qū)域。因此，很大一部分電場(chǎng)被推離肖特基勢(shì)壘，向P+區(qū)的下部區(qū)域推進(jìn)。通過(guò)這種方式，可以降低關(guān)斷狀態(tài)漏電流，并且不會(huì)影響JBS二極管的速度。另一種類(lèi)型的SiC二極管是SiC PIN二極管，非常適合在10 kV至20 kV范圍內(nèi)工作，因?yàn)殡妼?dǎo)率調(diào)制可有效降低漂移區(qū)域電阻。

碳化硅開(kāi)關(guān)

在許多工業(yè)應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體器件的阻斷電壓要求約為1.2至3.3 kV。碳化硅MOSFET屬于這一類(lèi)。與Si IGBT相比，SiC MOSFET中的多數(shù)載流子導(dǎo)通機(jī)制可顯著降低開(kāi)關(guān)損耗。碳化硅MOSFET在結(jié)構(gòu)上可分為兩種類(lèi)型：規(guī)劃器和溝槽。雙植入金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管（DIMOSFET）是規(guī)劃器SiC MOSFET的一個(gè)例子。

除了提高電氣性能外，可靠性是SiC MOSFET創(chuàng)新背后的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。此外，在航空航天應(yīng)用和核電站中，所使用的功率器件必須能夠承受輻射。碳化硅MOSFET已被證明在這些環(huán)境中工作良好。SiC結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFETS）自2006年以來(lái)已上市。

碳化硅BJT非?？煽?，非常適合高溫環(huán)境。然而，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流需要恒定穩(wěn)定，隨著溫度的升高，電流增益減小，驅(qū)動(dòng)損耗增加。對(duì)于10 kV及更高電壓，SiC IGBT非常合適。

結(jié)語(yǔ)

SiC功率器件所展示的卓越動(dòng)態(tài)特性為以前不切實(shí)際的電路鋪平了道路。與傳統(tǒng)的硅功率半導(dǎo)體器件相比，SiC電力電子器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括提高轉(zhuǎn)換器效率，減少體積和重量以及更簡(jiǎn)單的散熱組件。

但是，大規(guī)模采用SiC功率轉(zhuǎn)換器仍然具有挑戰(zhàn)性。SiC技術(shù)在電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用需要詳細(xì)了解系統(tǒng)架構(gòu)，包括EMI和熱問(wèn)題。另一個(gè)因素是SiC器件的成本相對(duì)較高。然而，基于SiC的轉(zhuǎn)換器可以徹底改變新興的工業(yè)系統(tǒng)和技術(shù)，如太陽(yáng)能逆變器，電動(dòng)汽車(chē)，感應(yīng)加熱器和牽引系統(tǒng)等。這些設(shè)備的未來(lái)是有希望的。