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商用碳化硅电力电子器件及其应用研究进展

随着能源问题的日益凸显,电源、电动汽车、工业设备和家用电器等设备中功率变 换器的性能提升变得尤为重要。而电力电子器件是电力电子技术的重要基础。电力 电子装置中电力电子器件虽然只占装置总价值的 20%~30%左右,但器件的性能对 整个装置的各项技术指标和性能有着重要的影响,因而是电力电子领域中非常重要 的研究方向。

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 1.12uΩ,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 25.9mΩ, 却是硅同类器件的约 1/300。 更低的导通电阻使得碳化硅电力电 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 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, 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。