超共源共柵與硅技術(shù)和SiC MOSFET技術(shù)對(duì)比分析

新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，這就需要有高壓開(kāi)關(guān)技術(shù)，而且與硅 IGBT 和 IGCT 技術(shù)相比，該技術(shù)的系統(tǒng)平衡成本和運(yùn)行損耗要顯著降低。該技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣，從固態(tài)變壓器、中壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)器到智能電網(wǎng)應(yīng)用（FACTS、STATCOM）和高壓直流斷路器均包含在內(nèi)。SiC MOSFET 被認(rèn)為是在不久的將來(lái)顛覆這一領(lǐng)域的絕佳選擇，UnitedSiC 提供了獨(dú)特的方法來(lái)加速采用基于寬帶隙的高壓開(kāi)關(guān)。這種方法被稱為超共源共柵 (Supercascode)。我們將這種方法及其已證明的性能與硅技術(shù)和 SiC MOSFET技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。

SiC器件及模塊

在過(guò)去的十年中，高壓 SiC器件領(lǐng)域取得了許多進(jìn)步。從理論上講，可以開(kāi)發(fā)出最大額定電壓至少為硅器件10倍的 SiC 器件。沿著這些思路，許多演示展示過(guò)高達(dá) 15KV單個(gè) SiC MOSFET，甚至是高達(dá) 27KV的 SiCIGBT。6.5KV-10KV范圍內(nèi)的 MOSFET正在逐漸成為基于模塊的產(chǎn)品。這充分證明，在 3.3KV以上時(shí)，相對(duì)于硅 IGBT，SiC MOSFET可以顯著降低損耗。

對(duì)于 10-25KV電壓的 SiC IGBT，載流子壽命提高和控制、超厚外延層的增長(zhǎng)、器件可靠性和最佳特性等挑戰(zhàn)正在攻克中，產(chǎn)品仍需 5-10年才能問(wèn)世。

在大于 3.3KV的領(lǐng)域，目前使用及正在開(kāi)發(fā)的主要器件結(jié)構(gòu)為平面式 MOSFET和集成了合并式 P-i-N肖特基二極管(MPS) 的 MOSFET，如圖 1所示。后一種器件無(wú)需在模塊中添加額外的 SiC肖特基二極管，從而為 MOSFET提供了更多封裝空間，并提高了可用的額定電流，因?yàn)橥ㄟ^(guò)增加芯片尺寸來(lái)增加每個(gè)單元內(nèi)的肖特基空間的可能性不大。但是，由于目標(biāo)應(yīng)用需要較高的額定電流，因此需要有源面積為 0.5-1cm2的相對(duì)較大的器件，而采用 SiC時(shí)這些器件很難以高產(chǎn)量生產(chǎn)。

圖 1：處于開(kāi)發(fā)中的適合更高電壓的 SiC應(yīng)用的平面式 MOSFET(a)和集成肖特基的 MOSFET (b)的結(jié)構(gòu)。需要將許多這樣的器件在模塊中并聯(lián)才能達(dá)到所需的額定電流，并且每個(gè)芯片都會(huì)開(kāi)關(guān)整個(gè)總線電壓

高壓器件面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，較厚的外延層會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)外延芯片時(shí)出現(xiàn)更多缺陷。這些較厚且摻雜較少的層具有更多的摻雜變化，因?yàn)殡S著摻雜水平達(dá)到1014cm-3的水平，就很難維持嚴(yán)格的摻雜控制。隨著厚度的增加，外延期間的耗材成本也更高。當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)可以讓最高 3.3KV的器件獲得高質(zhì)量的30um外延層，并且在未來(lái)幾年內(nèi) 6.5-10KV(50-90um)的層將得到增強(qiáng)并達(dá)到可以投產(chǎn)的質(zhì)量。額定值為 1.7KV及以下的外延層在 6英寸 4H-SiC襯底上可獲得非常高質(zhì)量和緊密的參數(shù)分布。

封裝超高壓開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多有趣的挑戰(zhàn)。當(dāng)單個(gè)開(kāi)關(guān)通過(guò) 5KV總線工作并在 25ns內(nèi)關(guān)閉時(shí)，我們得到的 dV/dt 值為200V/ns。10pF的雜散電容（例如，從芯片漏級(jí)到基板的或跨柵極電路隔離柵的雜散電容）將導(dǎo)致每個(gè)芯片有 2A(C*dV/dt)的位移電流。由于大功率模塊往往具有許多（10-20個(gè)）并聯(lián)芯片，此問(wèn)題可能變得非常嚴(yán)重。這些雜散電流會(huì)導(dǎo)致額外的損耗，并且還會(huì)導(dǎo)致低壓柵極驅(qū)動(dòng)電子器件出現(xiàn)嚴(yán)重的誤觸發(fā)問(wèn)題。位移電流過(guò)大也會(huì)同時(shí)削弱模塊內(nèi)部以及外部電纜和電路中的絕緣措施。

在額定 10KV的器件中，在器件末端頂部的 1mm區(qū)域中會(huì)產(chǎn)生 10KV的壓降。這就需要在模塊制造期間非常仔細(xì)地注意器件的封裝和清潔度，以避免氣穴、局部放電，以及母線和鍵合線在該區(qū)域附近產(chǎn)生的任何破壞性電勢(shì)。還需要厚陶瓷來(lái)將開(kāi)關(guān)與基板隔離，而這會(huì)導(dǎo)致熱阻增加。例如，將單個(gè)直接覆銅陶瓷基板 (DBC)用于 15KV器件將需要 AlN層厚度超過(guò) 1mm。陶瓷基板上跡線的場(chǎng)分布必須得到良好管理，以控制局部放電以及從模塊中的芯片到基板的最終災(zāi)難性短路。

超共源共柵的概念及采用原因

UnitedSiC開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的方法，使用超共源共柵的概念來(lái)制造高壓 SiC器件，該方法基于多個(gè)低電壓器件的串聯(lián)連接，并通過(guò)單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行操作。讓我們來(lái)研究一下這種方法背后的基本邏輯。表 1顯示了 1cm2SiCJFET 的電阻與額定擊穿電壓的關(guān)系?？紤]以并聯(lián) 6500V器件來(lái)構(gòu)建 6500V、12.5mohm模塊的示例。那將需要 4個(gè)面積為 1cm2的芯片，每個(gè)芯片之間并聯(lián)?；蛘?，我們可以通過(guò)串聯(lián)放置 4個(gè) 1cm23mohm、1700V的芯片（3 x 4 = 12mohm）來(lái)獲得相同的電阻。因此，串聯(lián)解決方案實(shí)質(zhì)上使用了相同數(shù)量的 SiC晶體管，但是較低壓器件的成本明顯較低，并且易于制造，具有更高的良率和更好的參數(shù)分布。

表 1：1700V至 30KV下 SiC JFET的比導(dǎo)通電阻。請(qǐng)注意，4個(gè)串聯(lián)的 1cm2芯片與 4個(gè)并聯(lián)的 6.5KV芯片具有相同的電阻。這就是超共源共柵方法的基本邏輯

盡管可以將相同的概念用于 SiC MOSFET，但每個(gè)低壓模塊都需要自己的同步柵極驅(qū)動(dòng)。這樣就增加了復(fù)雜性。使用超共源共柵方法，串聯(lián)鏈底部的單個(gè)低壓 MOSFET可控制整個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)。這樣，超共源共柵方法的柵極電荷要求變得比需要驅(qū)動(dòng)并聯(lián)高壓 MOSFET甚至串聯(lián)高壓 MOSFET模塊的方法低很多。表 2比較了超共源共柵模塊與通過(guò)并聯(lián) SiC MOSFET制成的等效模塊的預(yù)期特性。

表 2：超共源共柵模塊與通過(guò)將 SiC MOSFET和集成肖特基二極管并聯(lián)而制成的模塊之間的比較。請(qǐng)注意柵極電荷的差異

人們?yōu)槌苍垂矕旁O(shè)計(jì)了許多實(shí)現(xiàn)方案，圖 2展示了由 UnitedSiC開(kāi)發(fā)的兩種電路。該模塊需要一個(gè)無(wú)源平衡網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)嵌入在模塊內(nèi)部，如圖 3所示。由于熱耗散主要由 SiC JFET決定，因此將它們放置在直接覆銅基板 (DBC)上以進(jìn)行有效的散熱。其他網(wǎng)絡(luò)組件位于該層上方的電路板層中。圖 4展示了 UnitedSiC正在開(kāi)發(fā)的該超共源共柵模塊的電氣特性。該器件可阻斷所需的電壓，導(dǎo)通電阻為 20mohm (25℃)，并且不需要 SiC JBS 二極管，因?yàn)榈谌笙薰拯c(diǎn)電壓僅為 0.7V，來(lái)自硅 MOSFET，隨后是電阻為 19mohm的串聯(lián) JFET。二極管恢復(fù)電荷 QRR非常低 (14uC)，并且與溫度無(wú)關(guān)。半橋開(kāi)關(guān)波形表明，在 3600V、220A下開(kāi)關(guān)時(shí)，EON(155mJ) 和 EOFF(28.8mJ) 非常低。

圖 2：實(shí)現(xiàn)由 UnitedSiC開(kāi)發(fā)的超共源共柵結(jié)構(gòu)的兩種電路方法。每一級(jí)具有相等數(shù)量電容器的第二種電路 (b) 已用于高達(dá) 40KV的開(kāi)關(guān)中

圖 3：正在開(kāi)發(fā)的 200A、6500V超共源共柵模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。功率大部分消耗在 DBC表面上的 SiC JFET中。平衡網(wǎng)絡(luò)位于電路板位置，因?yàn)槠洳粫?huì)消耗太多功率

圖 4：200A、6500V模塊原型的電氣特性。半橋模塊具有非常低的導(dǎo)電和開(kāi)關(guān)損耗。超共源共柵的恢復(fù)特性導(dǎo)致 Qrr非常低

如表 3所示，功率損耗大大低于 IGBT。在隨后的段落中，我們將研究這些低損耗在一系列應(yīng)用中可能產(chǎn)生的影響。

表 3：超共源共柵模塊的損耗與相似額定值的 IGBT的損耗之間的比較。鑒于超共源共柵模塊的開(kāi)關(guān)損耗較低，因此明顯可以在 10倍高的頻率下使用

高壓開(kāi)關(guān)的應(yīng)用：中壓固態(tài)變壓器

固態(tài)變壓器通常采用中壓或高壓交流輸入，例如 4160V交流電，13.8KV交流電，并將其轉(zhuǎn)換為較低的電壓輸出，而無(wú)需使用笨重的 60Hz 變壓器?；靖拍钊鐖D 5所示，它先對(duì)交流電壓進(jìn)行整流，然后再轉(zhuǎn)換為 5-100kHz 范圍內(nèi)的大功率、高頻交流電。小得多的中高頻變壓器可提供較低的副邊電壓，可以對(duì)其進(jìn)行整流以提供低壓直流母線。然后，該電壓可用于為電動(dòng)車(chē)充電或驅(qū)動(dòng)直流-交流逆變器，以管理較低電壓的電機(jī)負(fù)荷。固態(tài)變壓器的尺寸通常比 60Hz 變壓器小很多，從而允許在非常高的電壓下進(jìn)行功率分配，并在使用時(shí)轉(zhuǎn)換為較低的電壓。這樣就減少了分配功率的電流，減少了銅的重量和成本，并減少了損耗。這對(duì)于兆瓦級(jí)的功率尤其有用，例如在直流快速充電站中需要以 250-350KW 為 8-10輛車(chē)充電，或者用在大型船舶上，以減少在分配較低交流電壓時(shí)發(fā)生的銅損。

原邊側(cè)整流電壓大于 6KV，如果需要高于 500Hz -1kHz 的開(kāi)關(guān)頻率，則不能使用 3.3KV-6.5KV級(jí)的 IGBT或 IGCT。取而代之的是，用戶可以選擇使用具有 7個(gè)以上電平的 1700VIGBT的多電平逆變器體系結(jié)構(gòu)，或者是模塊化多電平轉(zhuǎn)換器 (MMC)，它具有許多級(jí)聯(lián)的低電壓轉(zhuǎn)換器，定時(shí)提供階躍正弦輸出。模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的實(shí)例如圖 6所示，其中轉(zhuǎn)換器的每一級(jí)在原邊側(cè)都使用三電平 1700VIGBT模塊。圖 7展示了具有 10KV開(kāi)關(guān)的三電平 SiC器件的實(shí)現(xiàn)。顯然，SiC器件的實(shí)現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了此類直流-交流轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)和控制，并且可以在相對(duì)較高的頻率下運(yùn)行。

圖 6：基于硅的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)固態(tài)變壓器（作者：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 Huber等人）。每個(gè)級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器單元中的原邊均具有三電平 1700V模塊。然后，需要控制所有這些開(kāi)關(guān)和所有這些轉(zhuǎn)換器以提供所需的輸出正弦波形

圖 7：使用高壓 SiC MOSFET或超共源共柵來(lái)實(shí)現(xiàn)要簡(jiǎn)單得多?？刂茝?fù)雜性大大降低，且高壓器件的數(shù)量大大減少。為了使用小型變壓器，開(kāi)關(guān)頻率現(xiàn)在必須是硅解決方案的 10倍，并且損耗仍必須保持可控水平，以免使熱管理復(fù)雜化。這正是高壓 SiC器件的優(yōu)勢(shì)所在

兆瓦級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

美國(guó)能源部對(duì)美國(guó)的用電情況進(jìn)行的調(diào)查顯示，兆瓦級(jí)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)消耗的電量占所有發(fā)電量的 14％。通過(guò)將這些電機(jī)與變速驅(qū)動(dòng)器一起使用，而不是直接接入電網(wǎng)，可以大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須在較高的總線電壓下運(yùn)行，以減少工作電流來(lái)控制導(dǎo)線尺寸和損耗，基于硅的逆變器的工作頻率為 500Hz -2kHz，取代它的基于 SiC的逆變器可以用于 10倍于此的頻率，大大減少了冷卻需求并減小了系統(tǒng)尺寸。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以選擇上文所述的那個(gè)使用硅的多電平轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，也可以選擇更簡(jiǎn)單的雙電平或三電平 SiC模塊解決方案。設(shè)計(jì)人員也可以用 SiC來(lái)提高工作電壓，從而降低上游的發(fā)電和配電成本。然而，設(shè)計(jì)人員需要充分利用電機(jī)設(shè)計(jì)和技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以充分利用 SiC的功能。但是直到今天，人們才認(rèn)識(shí)到 SiC通過(guò)降低電流紋波來(lái)提高電機(jī)工作效率，以及通過(guò)降低損耗來(lái)提高逆變器效率的優(yōu)勢(shì)。在某些應(yīng)用中，使用 SiC就可以使用尺寸更小得多的較高轉(zhuǎn)速電機(jī)，并可能不使用齒輪箱。

高壓系統(tǒng)內(nèi)的輔助電源

上述所有系統(tǒng)都需要為系統(tǒng)控制電子器件（+/- 5V、12V、24V）以及較小的輔助照明和冷卻系統(tǒng)提供低壓電源。具有高壓功能的較小額定電流模塊可以幫助簡(jiǎn)化利用可用的交流中壓為此供電的任務(wù)。這是超共源共柵概念的絕佳應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)槠淠軌蜉p松按比例增加開(kāi)關(guān)的電壓。人們還可以利用與低壓常關(guān) MOSFET串聯(lián)的 SiC JFET的常開(kāi)特性來(lái)簡(jiǎn)化啟動(dòng)電路，這在低功率反激式轉(zhuǎn)換器中已得到證明。根據(jù)功率電平，用戶可以選擇是使用電源模塊，還是使用現(xiàn)成的 JFET組件創(chuàng)建基于電路板的組件。

高壓直流斷路器

隨著基于直流的發(fā)電和直流負(fù)荷的激增，人們將新的注意力集中在如何使用固態(tài)斷路器來(lái)代替機(jī)械式斷路器上，以提高可靠性、縮小尺寸、減少弧光問(wèn)題并為系統(tǒng)保護(hù)加入智能。由于固態(tài)斷路器沒(méi)有活動(dòng)部件，并且不會(huì)試圖以機(jī)械方式斷開(kāi)電流，因此不會(huì)出現(xiàn)弧光問(wèn)題或觸點(diǎn)的機(jī)械磨損。固態(tài)方法在不強(qiáng)迫諧振零電流交叉的情況下中斷直流電流的主要價(jià)值在于，它可以輕松地在 1us內(nèi)完成。隨后，可以在零電流下斷開(kāi)一個(gè)更小的隔離開(kāi)關(guān)，以提供電流隔離。這種方法大大減少了下游電路和電源必須處理的故障電流的持續(xù)時(shí)間和幅度。

圖 8展示了通常與具有雙向功能的固態(tài)斷路器一起使用的布置類型的示例。由于電纜布線和負(fù)荷電感在大型電源系統(tǒng)中可能會(huì)有很大差異，因此，在中斷直流故障電流時(shí)，必須消散線路電感中存儲(chǔ)的能量。該能量可能非常大，因此被圖 8中并聯(lián)使用的金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)吸收。緩沖元件在關(guān)閉期間調(diào)節(jié)單位時(shí)間內(nèi)電壓的變化 (dV/dt)和單位時(shí)間內(nèi)電流的變化 (di/dt)。

圖 8：雙向固態(tài)直流斷路器的實(shí)現(xiàn)。背對(duì)背開(kāi)關(guān)在任一方向上提供隔離電壓。電阻器-電容器 (RC)緩沖器可緩和開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換。MOV大小適當(dāng)，可吸收線路電感中最壞情況下存儲(chǔ)的能量。使用超共源共柵開(kāi)關(guān)，幾乎可以實(shí)現(xiàn)任何電壓或電流處理水平

此應(yīng)用對(duì)于開(kāi)關(guān)的主要要求是低導(dǎo)電損耗、容易實(shí)現(xiàn)電壓和電流縮放，以及在大故障電流關(guān)閉條件下的穩(wěn)健運(yùn)行。超共源共柵方法在這里再次變得有益。SiC JFET具有很好的導(dǎo)通電阻正溫度系數(shù)，閾值電壓 (VTH) 與溫度的比值幾乎為平線，因此非常容易并聯(lián)，從而使大電流縮放非常簡(jiǎn)單。借助超共源共柵技術(shù)，僅需驅(qū)動(dòng)一個(gè)以公共電源為參考的低壓 MOSFET來(lái)控制斷路器的操作，即可輕松實(shí)現(xiàn)電壓縮放。

如圖 9所示，將超共源共柵與簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路以及低壓 MOSFET一起使用，可以實(shí)現(xiàn)插入損耗非常低的快速動(dòng)作電流斷路器，同時(shí)還可以最大程度地降低峰值故障電流。人們可以修改此類電路以管理浪涌電流，并且僅在發(fā)生實(shí)際故障時(shí)才跳閘。在此示例中，電壓縮放由串聯(lián)連接的器件完成，而電流縮放由并聯(lián)級(jí)完成。

圖 9：6500V、1000A限流斷路器的設(shè)計(jì)示例。由并聯(lián)的 8個(gè)并聯(lián)串組成，每個(gè)串具有 5個(gè)串聯(lián)的 JFET。跳閘電流可以使用運(yùn)算放大器上的參考電壓進(jìn)行設(shè)置。可以如圖所示或通過(guò)使用低壓 MOSFET的漏源導(dǎo)通電壓 (VDS(ON))來(lái)檢測(cè)電流

結(jié)論

SiC器件是改善中高壓應(yīng)用領(lǐng)域中的電力電子器件的極佳候選方案。從固態(tài)變壓器到兆瓦級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從輔助電源系統(tǒng)到固態(tài)斷路器，在這些應(yīng)用中，我們已經(jīng)展示了一般的 SiC MOSFET，特別是基于 SiC JFET的超共源共柵如何提供非常引人注目的高性能和系統(tǒng)簡(jiǎn)化優(yōu)勢(shì)。這些應(yīng)用的增長(zhǎng)將推動(dòng)未來(lái)基于 SiC的功率電子產(chǎn)品的增長(zhǎng)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)21 世紀(jì) 20年代的電動(dòng)車(chē)熱潮。