碳化硅電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀分析

1 SiC二極管實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化

SiC電力電子器件中，SiC二極管最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2001年德國Infineon公司率先推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開發(fā)肖特基勢壘二極管（SBD）和JBS結構二極管。目前，SiC二極管已經(jīng)存在600V~1700V電壓等級和50A電流等級的產(chǎn)品。

SiC肖特基二極管能提供近乎理想的動態(tài)性能。做為單子器件，它的工作過程中沒有電荷儲存，因此它的反向恢復電流僅由它的耗盡層結電容造成，其反向恢復電荷以及其反向恢復損耗比Si超快恢復二極管要低一到兩個數(shù)量級。更重要的是，和它匹配的開關管的開通損耗也可以得到大幅度減少，因此提高電路的開關頻率。另外，它幾乎沒有正向恢復電壓，因而能夠立即導通，不存在雙極型器件的開通延時現(xiàn)象。在常溫下，其正態(tài)導通壓降和Si超快恢復器件基本相同，但是由于SiC 肖特基二極管的導通電阻具有正溫度系數(shù)，這將有利于將多個SiC肖特基二極管并聯(lián)。在二極管單芯片面積和電流受限的情況下，這可以大幅度提高SiC肖特基二極管的容量，使它在較大容量中的應用成為可能。目前實驗室報道的最大容量的SiC二極管已經(jīng)達到了6500V/1000A的水平。由于SiC開關管的發(fā)展相對二極管滯后，當前更普遍的做法是將SiC 二極管和Si IGBT 和MOSFET器件封裝在一個模塊中以形成大功率開關組合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復二極管，顯著提高了工作頻率和整機效率。中低壓SiC肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開關電源、光伏并網(wǎng)逆變器領域上產(chǎn)生較大的影響。

SiC肖特基二極管的發(fā)展方向是襯底減薄技術和Trench JBS結構。襯底減薄技術能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極管的導通電阻，增強器件浪涌電流能力，減小器件熱阻。Infineon公司于2012年9月發(fā)布第五代SiC SBD產(chǎn)品，首次采用襯底減薄技術。在SiC晶格里，JBS結構中離子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏條件下淺p-n結對肖特基結的屏蔽作用不是特別明顯，只有在相鄰p阱之間的間距較小時才能突顯出來，但同時帶來的正向導通溝道寬度變窄效應使得正向導通壓降顯著增加。為了解決這一問題，新一代SiC肖特基二極管的發(fā)展方向是Trench JBS結構。Cree公司新一代SiC肖特基二極管同時采用Trench JBS結構和襯底減薄技術，與傳統(tǒng)的JBS二極管相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（芯片面積減小50%）;也提高了阻斷電壓（提高150V）和雪崩能力。

2 SiC JFET器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

碳化硅JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實現(xiàn)了商業(yè)化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩(wěn)定性和可靠性。碳化硅JFET器件的門極的結型結構使得通常JFET的閾值電壓大多為負，即常通型器件，這對于電力電子的應用極為不利，無法與目前通用的驅動電路兼容。美國Semisouth公司和Rutgers大學通過引入溝槽注入式或者臺面溝槽結構（TI VJFET）的器件工藝，開發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增強型器件。但是增強型器件往往是在犧牲一定的正向導通電阻特性的情況下形成的，因此常通型（耗盡型）JFET更容易實現(xiàn)更高功率密度和電流能力，而耗盡型JFET器件可以通過級聯(lián)的方法實現(xiàn)常斷型工作狀態(tài)。級聯(lián)的方法是通過串聯(lián)一個低壓的Si基MOSFET來實現(xiàn)。級聯(lián)后的JFET器件的驅動電路與通用的硅基器件驅動電路自然兼容。級聯(lián)的結構非常適用于在高壓高功率場合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驅動電路的兼容問題。

目前，碳化硅JFET器件以及實現(xiàn)一定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要由Infineon和SiCED公司推出的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品電壓等級在1200V、1700V，單管電流等級最高可以達20A，模塊的電流等級可以達到100A以上。2011年，田納西大學報到了50kW的碳化硅模塊，該模塊采用1200V/25A的SiC JFET并聯(lián)，反并聯(lián)二極管為SiC SBD。2011年，Global Power Electronics研制了使用SiC JFET制作的高溫條件下SiC三相逆變器的研究，該模塊峰值功率為50kW（該模塊在中等負載等級下的效率為98.5%@10kHz、10kW，比起Si模塊效率更高。2013年Rockwell 公司采用600V /5A MOS增強型JFET以及碳化硅二極管并聯(lián)制作了電流等級為25A的三相電極驅動模塊，并與現(xiàn)今較為先進的IGBT、pin二極管模塊作比較：在同等功率等級下（25A/600V），面積減少到60%，該模塊旨在減小通態(tài)損耗以及開關損耗以及功率回路當中的過壓過流。

3 SiC MOSFET器件實用化取得突破

碳化硅MOSFE一直是最受矚目的碳化硅開關管，它不僅具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關性能、低導通電阻和高穩(wěn)定性，而且其驅動電路非常簡單，并與現(xiàn)有的電力電子器件（硅功率MOSFET和IGBT）驅動電路的兼容性是碳化硅器件中最好的。

SiC MOSFET器件長期面臨的兩個主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。其中溝道電阻大導致導通時的損耗大，為減少導通損耗而降低導通電阻和提高柵氧層的可靠性的研發(fā)一直在進行。降低導通電阻的方法之一是提高反型溝道的載流子遷移率，減小溝道電阻。為了提高碳化硅MOSFET柵氧層的質量，降低表面缺陷濃度，提高載流子數(shù)量和遷移率，一種最通用的辦法是實現(xiàn)生長界面的氮注入，也被稱為界面鈍化，即在柵氧層生長過程結束后，在富氮的環(huán)境中進行高溫退火，這樣可以實現(xiàn)溝道載流子遷移率的提高，從而減小溝道電阻，減小導通損耗。降低導通電阻的方法之二是采用在柵極正下方開掘溝槽的溝槽型柵極結構。目前已經(jīng)投產(chǎn)的SiCMOSFET都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對單元進行微細化時，容易導致JFET電阻增大的問題，導通電阻的降低方面存在一定的局限性。而溝槽型在構造上不存在JFET電阻。因此，適于降低溝道電阻、減小導通電阻，但是Si溝槽型MOSFET目前尚未解決溝槽刻蝕之后側壁溝道的表面問題。

美國Cree和日本Rohm公司已經(jīng)能提供業(yè)界領先的碳化硅的MOSFET器件。美國已經(jīng)將碳化硅MOSFET器件應用于開發(fā)2.7MVA的固態(tài)功率變電站，該固態(tài)功率變電站可能將被應用于美國下一代航空母艦CVN-21的配電系統(tǒng)中。采用全碳化硅功率模塊，可以使傳統(tǒng)的低頻（60Hz）變壓器轉變?yōu)楦哳l（20kHz）固態(tài)功率變電站，預計使變壓器的重量由6噸降低到1.7噸，體積從10立方米降低到2.7立方米，大大提高艦船系統(tǒng)的性能。2012年，日本三菱電機通過使用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二極管，研發(fā)出一個達11kW逆變器，它比基于硅器件制造的逆變器，降低能源損耗達七成，輸出功率為10W/cm3。日本三菱電機報道了使用強制風冷的三相400V輸出全碳化硅逆變器，采用了碳化硅JFET和碳化硅肖特基勢壘二極管，這套裝置的功率密度達到了50kVA/升，遠高于傳統(tǒng)的硅基裝置。2013年3月美國Cree發(fā)布第2代SiC MOSFET。與第1代產(chǎn)品相比，通過縮小芯片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例，第2代芯片面積比第1代縮小了約40%。

4 SiC IGBT器件

由于受到工藝技術的制約，碳化硅IGBT的起步較晚，高壓碳化硅IGBT面臨兩個挑戰(zhàn)：第一個挑戰(zhàn)與碳化硅MOSFET器件相同，溝道缺陷導致的可靠性以及低電子遷移率問題;第二個挑戰(zhàn)是N型IGBT需要P型襯底，而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。因此，1999年制成的第一個IGBT采用了P型襯底。經(jīng)過多年的研發(fā)，逐步克服了P型襯底的電阻問題，2008年報道了13kV的N溝道碳化硅IGBT器件，比導通電阻達到22mΩ×cm2。有報道對15kV的N-IGBT和MOSFET的正向導通能力做了一個比較，結果顯示，在結溫為室溫時，在芯片功耗密度為200 W/cm2以下的條件下，MOSFET可以獲得更大的電流密度，而在更高的功耗密度條件下，IGBT可以獲得更大的電流密度。在結溫為127？C時，IGBT在功耗密度為50 W/cm2以上的條件下就能夠導通比MOSFET更高的電流密度。同一年，該團隊還報道了阻斷電壓達到12 kV的P溝道碳化硅IGBT，導通比電阻降到了14mΩ×cm2，體現(xiàn)了明顯的電導調制能力。

碳化硅 IGBT器件的優(yōu)勢應用范圍為10kV以上的高壓領域。在這一領域中，碳化硅MOSFET器件會面臨通態(tài)電阻過高的問題，但是在10kV以下的應用中，碳化硅IGBT 相對于碳化硅MOSFET 的優(yōu)勢并不十分明顯。在15 kV以上的應用領域，碳化硅IGBT綜合了功耗低和開關速度快的特點，相對于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術優(yōu)勢，特別適用于高壓電力系統(tǒng)應用領域。新型高溫高壓碳化硅IGBT器件將對大功率應用，特別是電力系統(tǒng)的應用產(chǎn)生重大的影響?？梢灶A見的是，高壓碳化硅IGBT器件將和PiN二極管器件一起，成為下一代智能電網(wǎng)技術中電力電子技術最核心的器件。

5 SiC 功率模塊

碳化硅功率模塊是全球電力電子器件大型企業(yè)目前重點的發(fā)展方向。碳化硅功率模塊已經(jīng)在一些高端領域實現(xiàn)了初步應用，包括高功率密度電能轉換、高性能電機驅動等等，并具有廣闊的應用前景和市場潛力。在碳化硅功率模塊領域，首先開始研發(fā)的是基于碳化硅功率二極管和硅基IGBT的混合功率模塊。第一個實現(xiàn)商用的采用碳化硅二極管和硅基IGBT的高功率模塊是Infineon公司的PrimePACK產(chǎn)品。隨著碳化硅器件的進步，全碳化硅功率模塊不斷被研發(fā)出來。美國Cree公司報道了阻斷電壓10kV，電流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通過并聯(lián)模塊得到100A的電流傳輸能力。2009年美國Cree公司與Powerex公司開發(fā)出了雙開關1200V、100A的碳化硅功率模塊，該模塊由耐高壓和大電流的碳化硅的MOSFET器件和碳化硅肖特基二極管組成。2011年，美國U.S. Army Research Laboratory研發(fā)了用20個80A的SiC MOSFET以及20個50A SiC肖特基二極管制作了一個1200V/800A的雙向功率模塊。該模塊用作全橋逆變并與Si器件比較實驗，結果表明功率損耗至少降低40%，在同樣輸出電流等級情況下SiC的模塊可以工作在Si模塊的4倍頻狀態(tài)。該模塊預計用于電動汽車領域。2012年，日本富士電機公司研發(fā)基于SiC MOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模塊。該模塊采用新型無焊線設計、氮化硅陶瓷作襯底制作，可以在200°C高溫工作作，并且類似倒裝芯片的壓接式設計使得該模塊與起傳統(tǒng)的鋁線鍵合模塊相比具有內(nèi)電感低的特點，同時損耗更低，與傳統(tǒng)同功率IGBT模塊相比具有更緊湊的結構，大小約為原先的1/2。2012年日本羅姆公司開始推出全碳化硅功率模塊，2013年，美國的CREE公司和日本的三菱公司也推出了1200V/100A的全碳化硅模塊。這些全碳化硅功率模塊組合了碳化硅MOSFET器件和肖特基二極管，利用高速開關及低損耗的特性，可替換原來額定電流為200～400A的硅基IGBT模塊。因器件散熱性提高，使得裝置的體積縮小了一半，并且發(fā)熱量小，可縮小冷卻裝置，實現(xiàn)裝置的小型化，同時可以將電力轉換時的損耗削減85%以上，大幅削減工業(yè)設備的電力損耗。全碳化硅MOSFET（或JFET）模塊的優(yōu)良特性使它具備在10kV以下的應用中取代硅基IGBT的巨大潛力，取代的速度和范圍將取決于碳化硅材料和器件技術的成熟速度和成本下降的速度。

6 小結

碳化硅電力電子器件在提高電能利用效率和實現(xiàn)電力電子裝置的小型化方面將發(fā)揮越來越大的優(yōu)勢。碳化硅電力電子器件能提高電能利用的效率，來實現(xiàn)電能損失的減少，因為相對于硅器件，碳化硅器件在降低導通電阻和減小開關損耗等方面具有優(yōu)勢。比如，由二極管和開關管組成的逆變電路中，僅將二極管材料由硅換成碳化硅，逆變器的電能損失就可以降低15～30%左右，如果開關管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。利用碳化硅制作的電力電子器件具備三個能使電力轉換器實現(xiàn)小型化的特性：更高的開關速度、更低的損耗和更高的工作溫度。碳化硅器件能以硅器件數(shù)倍的速度進行開關。開關頻率越高，電感和電容等儲能和濾波部件就越容易實現(xiàn)小型化;電能損失降低，發(fā)熱量就會相應減少，因此可實現(xiàn)電力轉換器的小型化;而在結溫方面，硅器件在200°C就達到了極限，而碳化硅器件能在更高結溫和環(huán)境溫度的情況下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉換器的冷卻機構。

隨著碳化硅電力電子器件的技術進步，目前碳化硅器件相對于硅器件，不僅有性能的巨大優(yōu)勢，在系統(tǒng)成本上的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)美國Cree公司的評估，與使用硅IGBT和硅二極管相比，使用該公司的第2代SiC MOSFET和SiC二極管能夠降低升壓轉換器的總成本。具體來說，通過提高開關頻率來縮小電感器、降低電感器的成本，可使總成本壓縮到比使用Si功率元件時更低的程度。以10kW級的升壓轉換器為例，按照Cree公司估算的結果，如果使用Si功率元件，在20kHz下開關，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驅動的話，成本將分別降至170美元、163美元。使用SiC功率元件有望降低電力轉換器的總成本。

在電力電子器件應用的眾多領域，比如輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力機車、混合動力汽車、各種工業(yè)電機、光伏逆變器、風電并網(wǎng)逆變器、空調等白色家電、服務器及個人電腦等，碳化硅器件將逐步地展現(xiàn)出其性能和降低系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢。作為下一代電力電子器件的主要方向，碳化硅電力電子器件將為電力電子帶來重要的技術革新，并推動電力電子領域在今后二、三十年的發(fā)展。