碳化硅在大功率电力电子器件中的应用

碳化硅在大功率电力电子器件中的应用摘要：功率半导体器件是电力电子技术的关键元件。与传统的硅功率器件相比，碳化硅功率器件能够承受更高的电压，具有更低的寄生参数（寄生电容、电阻和电感），更小的器件尺寸和更短的响应时间。开关速度的提高不但可以降低系统功率损耗，而且能够允许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大降低了系统的散热设计，允许使用更小的散热片及风扇，降低散热器体积及功率损耗。因此，碳化硅器件有望从本质上提高电力电子功率转换设备的效率和功率密度。本文对碳化硅材料特性做简单的介绍，进而深刻了解碳化硅器件的物理和电气特性，并对碳化硅在电力电子主要功率器件器件二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT的电气特性和初步应用等问题进行探讨。关键词：电力电子器件，碳化硅，二极管，MOSFET，GTO，IGBT，IGCT0 引言碳化硅(SiC)的优异特性随绿色经济的兴起而兴起。在提高电力利用效率中起关键作用的是电力电子功率器件。如今降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。同时，借助于微电子技术的发展，以硅器件为基础电力电子功率器件MOSFET及IGBT等的开关性能已随其结构设计和制造工艺的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提高和电力电子电子装置与系统性能的潜力已十分有限。在这种情况下，碳化硅器件受到人们青睐。碳化硅器件耐高温(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。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，由此将大大减少设备的发热量，从而可大幅度降低电力功率变换器的体积和重量。但由于其制备工艺难度大，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，以其优良特性证实了半导体碳化硅在改善电力电子器件特性方面巨大的潜在优势。最近，Cree公司报道了耐压近2000V、电流大于100A、工作温度高于200的晶闸管1。这一报道被视为大功率碳化硅电力电了器件发展的一个里程碑，为将来碳化硅功率器件的广泛应用奠定了基础。1 碳化硅的特性分析就电力电子器 件而言，硅材料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、载流子饱和漂移速率和热导率都比较高的宽禁带半导体材料，比较典型的有砷化镓、碳化硅等。特别是碳化硅肖特基二极管在本世纪初投放市场并获得良好的实际应用效果后，进一步增强了人们大力发展碳化硅电力电子器件的信心。表l概括了碳化硅材料的主要物理参数。表1 SiC与Si材料相比主要物理参数材料禁带宽度(eV)相对介电常数迁移率(cm2/Vs)绝缘击穿场强(V/cm)性能指数SiC3.259.711403106620Si1.1011.8150031051注：以4H-SiC的值为例。迄今为止观察到的碳化硅同质异晶形态就有百余种之多多2，但主要的同素异构体为3C-SiC、4H-SiC及6H-SiC几种。6H-SiC与4H-SiC禁带宽度分别为3.0eV、3.25eV，相应本征温度可达到800以上。即使是禁带宽度最窄的3C-SiC，其禁带宽度也达到了2.3eV左右。目前，商用的碳化件嚣件多为4H-SiC。用碳化硅做成器件，其工作温度有可能超过6003，而其电学特性不会受到太大的影响。功率开关器件反向电压承受能力与漂移区(单极器件)或基区(双极器件)的长度和电阻率有关，而单极功率开关器件的通态电阻有直接决定于漂移区长度和电阻率，与制造材料击穿电厂强度的立方成反比4。使用击穿电场强度高的材料制作高压功率开关，其电阻率不必选择太高，器件漂移区或基区长度不必太长。热导率高则使碳化硅器件可以在高温下长期稳定工作。此外，碳化硅目前唯一可以使用热氧化法生成高品质本体氧化物化合物半导体。这使其可以像硅一样用来制造MOSFET和IGBT这样含有MOS结构的器件5。碳化硅器件有很好的反向特性。如图1所示6，与Si器件相比，SiC二极管具有很小的反向恢复电流和极端的反向恢复时间。在较低的击穿电压（50V）情况下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/100，在较高的击穿电压（5000V）的条件下，单极SiC器件的通态电阻小于硅器件的1/3007。如图2所示，SiC器件具有较小的通态电阻，因此具有较小的通态损耗和更高的效率。图1 典型的硅二极管和碳化硅二械管反向恢复特性对比（2A/格）图2 MOSFET的通态电阻和通态损耗岁温度变化曲线2 SiC电力电子器件的发展随着大硅片上市，以及高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术紧随其后的成功应用，各种硅功率器件演技与和开发随即蓬勃发展起来。目前，各种功率器件都已证实可以改用碳化硅来制造。尽管产量、成本以及可靠性问题仍对其商品化有所限制，但碳化硅器件代替硅器件的过程已经开始。现在，在电力电子系统中主要应用二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT都已经有对应的碳化硅产品。2.1 碳化硅二极管碳化硅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二极管。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，其芯片尺寸为13.6mm13.6mm，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开发已达到小面积(直径0.5mm以下)器件反向阻断电压超过4000V，大面积(直径超过1mm)器件也能达到1000V左右水平。例如，200l年中已有140A/800V的4H-SiC JBs报导9。同年另一报导中，反向电流密度高达1200V的4H-SiC肖特基势垒二极管己做到直径3mm，其正向电流密度高达300Acm2，向相应的正向压降2V10。2008年，Rohm公司公布了300A/660V的4H-SiC肖特基二极管，其芯片尺寸为10mm10mm，通态压降为1.5V。2.2 碳化硅MOSFET碳化硅功率MOSFET结构上与硅功率MOSFET没有太大区别。2000年已有用4H-SiC实现阻断电压2000V以上，最高可达7000V的MOSFET的报导，其通态比电阻要比硅MOSFET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(电流在数十毫秒的瞬间数倍于稳态值)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MOSFET只在电压等级不超过l00V时才具有较好的性价比。尽管硅IGBT在这方面有很大改进，但其开关速度比功率MOSFET低，不能满足高频应用的需要。理论分析表明，用6H-SiC和4H-SiC制造功率MOSFET，其通态电阻可以比同等级的硅功率MOSFET分别低100倍和2000倍12。2006年，Cree公司公布了5A/10kV的4H-SiC MOSFET，其通态压降为3.76V。2.3 碳化硅GTO与硅晶闸管类似，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。与硅晶闸管相比，对3000V以上阻断电压，其通态电流密度可以高出几个数量级，特别适合于交流开关方面应用。直流丌关方面应用，则是碳化硅硅晶闸管之所长。当前对阻断压4500V以上GTO需求量很大，最近对碳化硅电力晶体管研发活动开始向GTO集中。2000年已有阻断电压高达3l00V，50下关断增益仍高达41的4H-SiC GTO报道13。与传统的Si GTO相比，SiC GTO可以在高温下工作，具有更快的开关响速度和更高的阻断能力。主要因为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器件中载流子的寿命比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，碳化硅器件不需要像Si器件那样，在快开关速度和通态压降间进行折衷，因为碳化硅器件同时具有快的开关速度和低的通态损耗。2005年，Cree公司报道了耐压大于1700V、电流大于100A、工作温度高于200的晶闸管。该晶闸管在常温下具有很小的漏电流，在1770V的正向电压下，漏电流仅为40uA。图3为碳化硅晶闸管封装后的外观及内部剖面示意图。图4为这种器件在不同温度下的正向伏安特性曲线。可以看出，在电流为100A时，200曲线与100曲线发生交叠，这意味着碳化硅晶闸管在大电流情况下的通态压降具有正温度特性，这样就会像功率MOSFET器件那样能够自动均流，有利于器件的并联使用。通过3个晶闸管的并联测试，文献1已经验证150A的电流能够均匀分布在各个器件上。图3 SiC晶闸管芯片封装后外观及剖面示意图图4 100AS000V晶闸管芯片在不同温度下的正向伏安特性2.4 碳化硅IGBT虽然SiC场效应器件的阻断电压可以做到硅器件无法达到的10kV，但更高的阻断电压也面临通态电阻问题，所以，人们对SiC IGBT寄予厚望。对SIC IGBT的研发工作起步较晚，1999年才首见报道了一个阻断电压只有790V的P够到4H-SiC IGBT，且其通态压降很高，在电流密度为75A/cm2时就达到了15V。这说明SiC IGBT在阻断电压不高的情况下相对于SiC MOSFET并没有什么优势，其优势只在10kV以上的高压领域14。近年来，SIC高压IGBT的研发工作已有较大进展，目前遇到的主要困难在于P沟道IGBT的源极接触电阻偏高，而N沟道的IGBT又需要P型碳化硅材料做衬底。因此，SiC IGBT的研发工作的实质进展还有待于材料和工艺的进一步发展。最近，一种阻塞电压为7.5kV的4H-SiC IGBT有重大改进。在25，栅极电压为16V时，导通比电阻达到26m/cm2，它采用了电流抑制层（CSL）来消除寄生的JFET效应，通过寄生的NPN管抑制电导来增强电导调制。此外，P型IGBT的反向偏置工作区RBSOA的输出曲线是方形的，表明它适合于高频、大功率的应用15。2.5 碳化硅IGCT门极换流自关断晶闸管(IGCT)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IGCT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SiC IGCT。2006年，关西电力与Cree联合研制的ICGT的芯片面积扩大到8mm8mm，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5uA/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，SiC ICGT已应用于180kVA三相变频器16。3 碳化硅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2012年。至2012年，宽带隙半导体电子器件的市.场份额将会接近3亿美元17。目前，碳化硅器件主要着眼于电源与发动机控制系统应用，且器件技术已逐步趋于成熟。现在，输出为100A的碳化硅二极管大批量问世，2009年SiC MOSFET已经可以量产。目前，碳化硅器件已被用于混合动力汽车和电动汽车设备中。2008年，日本丰田公司开发出了SiC二极管逆变器，应用于X-TRAIL FCV型汽车进行道路行驶实验。同月，本田汽车公司已用SiC器件制出了电源模块模块。2009年日本开发的碳化硅变频空调在市场上销售。日本关西电力公司，开发出碳化硅逆变器，用于太阳能发电。本田汽车开发出了5mm见方的碳化硅和硅的异构结二极管，电流容量可超过100A。在罗姆公司协作下，口产汽车还丌发出I-2mm见方的碳化硅二级管，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IGBT如果用碳化硅SBD(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3mm3mm的SiC MOSFET和SiC SBD转换电路，以及5mm5mm的SiC SBD整流电路的功率模块。该模块与硅功率模块相比，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l2月开发成功凹槽型SiC MOSFET和SiC SBD。3mm3mm芯片的导通电流超过l00A。欧姆阻抗值是目前硅DMOS的1/85，硅IGBT的1/5，大幅度降低了功率损耗。2008年开发出了10mm10mm的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l200伏、l00安培的SiC功率模块。其由耐高压和大电流的碳化硅MOSFET和碳化硅肖特基二极管组成。美国Cree公司和日本罗姆公司在业界领先生产碳化硅MOSFET。碳化硅晶体管的结构比硅二极管复杂，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，碳化硅晶体管相比于硅晶体管的成本优势已非常明显。4 结语纵观电力电子技术的发展，每一次新型半.导体材料的开发和应用都能促进进电力电子系统与器件技术的革新。对于电力系统应用来说，碳化硅材料优势不仅提高器件耐压能力，更重要还其能大幅度降低了功率损耗。已上市的碳化硅肖特基势垒二极管和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的另一优势是能够兼顾器件的功率和频率，以及耐高温特性。可以预言，碳化硅功率件及其在电力系统应用的广泛应用不久将会到来。5 参考文献1 Anant K.Agarwal et al, The First Demonstration of the lcmbyiem SiC Thyristor ChipJ. 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