碳化硅功率器件優(yōu)勢增強(qiáng)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)！

影響下一代功率半導(dǎo)體器件發(fā)展和實(shí)施的三個(gè)主要因素：對持續(xù)改進(jìn)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率的監(jiān)管要求;市場需要更輕、更小、更具成本效益的系統(tǒng)，具有更集成的功能和新興應(yīng)用，如電動汽車（EV）和固態(tài)變壓器（SST）。直到最近，硅一直是電力電子中使用的主要材料，盡管硅技術(shù)不斷改進(jìn)，但它確實(shí)存在某些局限性，在設(shè)計(jì)不斷增長的基本電力系統(tǒng)要求時(shí)必須考慮到這些局限性。

設(shè)備制造商在過去十年中已經(jīng)證明，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬帶隙（WBG）材料在下一代功率半導(dǎo)體器件的開發(fā)中具有多種優(yōu)勢?；赪BG的器件在性能、工作溫度、功率處理效率和提供新功能的能力方面提供了顯著的改進(jìn)，這是硅基器件無法實(shí)現(xiàn)的。因此，WBG功率器件現(xiàn)在被認(rèn)為是功率半導(dǎo)體器件的未來。

SiC器件的日益普及可以追溯到構(gòu)建完整電源系統(tǒng)所需的所有組件的可用性，即SiC二極管、開關(guān)和模塊。這種可用性的增加是供應(yīng)鏈擴(kuò)大的結(jié)果，越來越多的供應(yīng)商可以提供更經(jīng)濟(jì)可行的定價(jià)。GaN功率器件商用的時(shí)間要短得多。由于這種不同的成熟狀態(tài)，SiC和GaN器件已經(jīng)發(fā)展到支持不同細(xì)分市場中獨(dú)立但互補(bǔ)的功能。

SiC被用于電力系統(tǒng)，因?yàn)樗驯蛔C明比硅更有效。SiC MOSFET的主要優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)損耗非常低，可提高效率并實(shí)現(xiàn)更高頻率的操作。

由于寬帶隙討論可能是一個(gè)冗長的話題，本文將主要關(guān)注SiC技術(shù)在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的優(yōu)勢。

碳化硅材料優(yōu)勢

表1所示的寬帶隙材料特性解釋了為什么基于SiC的功率器件的性能優(yōu)于硅。SiC的擊穿場強(qiáng)是硅的十倍，而且SiC器件可以構(gòu)造成以更小的漂移區(qū)域承受相同的擊穿。理論上，在相同的硅擊穿電壓下，與硅相比，SiC可以將漂移層的單位面積電阻降低到1/300。

與硅相比，SiC的介電擊穿場強(qiáng)度是硅的十倍，帶隙是其三倍，熱導(dǎo)率是硅的三倍。p型和n型區(qū)域都是在半導(dǎo)體材料中形成器件結(jié)構(gòu)所必需的，可以在SiC中形成。這些器件可以生產(chǎn)具有更薄的漂移層，并具有非常高的擊穿電壓（600V及以上），但相對于硅器件而言，電阻非常低。高壓器件的電阻主要由漂移區(qū)域的寬度決定。與硅相比，在使用SiC材料相同的擊穿電壓下，漂移層每單位面積的電阻可以降低到1/300。這些特性使SiC成為最佳的功率器件材料，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅器件。

第一個(gè)商用碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）于十多年前推出，并已設(shè)計(jì)用于許多電源系統(tǒng)，尤其是開關(guān)模式電源的功率因數(shù)校正（PFC）電路。技術(shù)成熟度、性能和由于產(chǎn)量和競爭的增加而大幅降低成本是SiC MOSFET在越來越多的應(yīng)用中采用的主要原因。SiC SBD目前可提供600V-1700V的擊穿電壓額定值和1A-60A額定電流。因此，SiC器件傾向于與600V-900V范圍內(nèi)的硅MOSFET和1kV+范圍內(nèi)的IGBT競爭。

SiC MOSFET現(xiàn)在因其常關(guān)操作和電壓控制器件優(yōu)勢而受到電源設(shè)計(jì)人員的更大需求。此外，與結(jié)柵場效應(yīng)晶體管（JFET）和雙極結(jié)型晶體管（BJT）相比，SiC MOSFET具有柵極驅(qū)動簡單性。

高溫優(yōu)勢

由于封裝技術(shù)的限制以及系統(tǒng)中其他組件的相關(guān)較低工作溫度，SiC功率器件的高溫能力尚未得到充分利用。

目前可用的產(chǎn)品的額定溫度僅為150°C至175°C，而使用特殊芯片鍵合技術(shù)的SiC功率模塊可在250°C下工作。SiC的研發(fā)測試表明，最高可達(dá)650°C，而硅半導(dǎo)體的上限為300°C。

此外，SiC的導(dǎo)熱性是硅的三倍。這些特性有助于降低冷卻需求，使SiC元件的冷卻更簡單。這使得熱系統(tǒng)可以更小、更輕、成本更低。

改進(jìn)電源開關(guān)的推動因素

理想的電源開關(guān)能夠在導(dǎo)通狀態(tài)下以零壓降承載大電流，在關(guān)斷狀態(tài)下以零泄漏阻止高壓，并且在從關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生零能量損失，反之亦然。在硅基器件中，很難將這些理想但截然相反的特性結(jié)合起來，尤其是在高電壓和電流下。為了解決這個(gè)問題，許多設(shè)計(jì)都采用了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）器件。對于IGBT，高擊穿電壓下的低電阻是以開關(guān)性能為代價(jià)的，使用注入漂移區(qū)域的少數(shù)載流子來降低導(dǎo)通（導(dǎo)通）電阻。因此，當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，這些載流子需要時(shí)間才能重新組合并從基極區(qū)域“耗散”，從而增加開關(guān)損耗和時(shí)間。

與IGBT相反，MOSFET是多數(shù)載波器件，因此它們沒有“尾部”電流。因此，SiC MOSFET可以滿足電源開關(guān)的所有三個(gè)要求——高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)速度（圖1）。例如，與硅IGBT和快速恢復(fù)二極管（FRD）相比，ROHM將SiC MOSFET和SiC SBD集成在一個(gè)封裝中，關(guān)斷損耗降低88%，導(dǎo)通損耗降低34%，開關(guān)頻率在數(shù)百kHz范圍內(nèi)。關(guān)斷的改善是由于MOSFET中沒有尾部電流。導(dǎo)通的改善是由于SiC二極管的恢復(fù)損耗要低得多。

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以通過低開關(guān)損耗獲得顯著優(yōu)勢：

?產(chǎn)生的熱量更少，冷卻系統(tǒng)更簡單、更便宜、更小和/或更輕，最終實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

?允許增加開關(guān)頻率，以減小無源元件（電容器、電感器）的尺寸，從而降低系統(tǒng)成本、尺寸和重量。

?降低工作溫度，使組件不會降額太多，從而允許使用更小、更便宜的組件。在系統(tǒng)層面，這意味著較低額定值的SiC系統(tǒng)可以取代較高額定值的硅系統(tǒng)。

碳化硅場效應(yīng)管可靠性

可靠性是電力電子設(shè)計(jì)中最重要的考慮因素之一。因此，電力系統(tǒng)工程師的第一個(gè)問題是：“SiC是否與硅一樣可靠？與整體可靠性相關(guān)的三個(gè)最重要的方面是柵極氧化層可靠性、柵極閾值電壓Vt的穩(wěn)定性以及體二極管反向傳導(dǎo)的魯棒性。

柵極氧化物的電氣過應(yīng)力是MOS器件的常見故障模式。因此，柵極氧化質(zhì)量直接影響SiC MOSFET的可靠性。好消息是，制造商已經(jīng)解決了在SiC襯底上開發(fā)高質(zhì)量氧化物的問題，以最大限度地減少缺陷密度（界面和散裝陷阱），而不會影響器件壽命或電氣特性穩(wěn)定性。

測量柵極氧化物MOS質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)測試是恒流應(yīng)力時(shí)間相關(guān)介電擊穿（CCS TDDB），如圖所示。累積電荷QBD是柵氧化層的質(zhì)量指標(biāo)。15-20°C/cm2的值相當(dāng)于硅MOSFET的值。

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的新時(shí)代

盡管在過去十年中取得了許多重大的技術(shù)進(jìn)步，并且供應(yīng)鏈不斷擴(kuò)大，但SiC器件的寬帶隙技術(shù)行業(yè)要充分發(fā)揮其潛力還有很長的路要走。下一代SiC功率器件取得了長足的進(jìn)步，它們處于有利地位，可以實(shí)現(xiàn)電動汽車和固態(tài)變壓器等大批量功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的新時(shí)代。SiC也可以成為未來技術(shù)發(fā)展的積極催化劑，在繼續(xù)刺激市場需求的同時(shí)增強(qiáng)應(yīng)用能力。

　　審核編輯：湯梓紅