新型电力电子器件—碳化硅教学文案

三菱公司报道的 1.2 kV 碳化硅 MOSFET 器件的导通 比电阻为 5 mΩ·cm2，比硅基的CoolMOS的性能指数好 15~20 倍。美国 Cree 公司报道了 8.1 mm*8.1 mm、阻断 电压 10 kV、电流 20 A 的碳化硅 MOSFET 芯片，其正向 阻断特性如图 3 所示。通过并联这样的芯片得到的模块 可以具备 100 A 的电流传输能力。该器件在 20 V 的栅压 下的通态比电阻为 127 mΩ·cm2，同时具有较好的高温 特性，在200 ℃条件下，零栅压时可以实现阻断 10 kV 电压。在碳化硅 MOSFET 的可靠性研究方面，有研究报 道了在 350 ℃下碳化硅栅氧层具有良好的可靠性。
PiN 结二极管在4~5 kV 或者以上的电压时具有 优势，由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的 导通电阻，使得它比较适用于高电压应用场合。有 文献报道阻断电压为14.9和19.5 kV 的超高压 PiN二 极管，其正向和反向导通特性如图 2 所示，在电流 密度为100 A/cm2 时，其正向压降分别仅为4.4和 6.5 V。这种高压的 PiN 二极管在电力系统，特别是高压 直流输电领域具有潜在的应用价值。
碳化硅 MOSFET 器件
功率 MOSFET 具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关 性能、低导通电阻和高稳定性，在硅基器件中，功率 MOSFET 获得巨大成功。同样，碳化硅 MOSFE 也是最受瞩 目的碳化硅功率开关器件，其最明显的优点是，驱动电路 非常简单及与现有的功率器件(硅功率 MOSFET 和 IGBT)驱 动电路的兼容性。碳化硅功率 MOSFET 面临的两个主要挑 战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。随着碳化 硅 MOSFET 技术的进步，高性能的碳化硅 MOSFET 也被研 发出来，已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的 碳化硅 MOSFET器件。
新型电力电子器件 碳化硅器
件
一个理想的功率半导体器件，应当具有下列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，能导通高的电流密度并具有低的 导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和 du/dt，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20 世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理 想目标已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几 乎都是基于晶闸管的。到了80年代中期，4.5kV的可关断晶闸管(GTO)得到 广泛应用，并成为在接下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘 栅双极型晶体管(IGBT)的阻断电压达到3.3kV之后，这个局面才得到改变。 与此同时，对GTO技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管(IGCT)的问 世，它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为 500Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相 对较低，因此可以工作在1~3kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代 表的半控型器件已达到70MW/9000V的水平，全控器件也发展到了非常高的 水平。当前，硅基电力电子器件的水平基9本上1稳0定在10 -10 W·Hz左右，已 逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限。
碳化硅性质
由于传统的硅基电力电子器件已经逼近了因寄生二极管制约 而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发 展方向：一是采用各种新的器件结构；二是采用宽能带间隙材料 的半导体器件，如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)器件。
SiC是IV-IV族二元化合物半导体材料,也是元素周期表中IV族 元素中唯一的一种固态碳化物。SiC由碳原子和硅原子组成,但其 晶体结构具有同质多型体的特点。在半导体领域最常用的是 4H -SiC和6H-SiC两种,SiC与其它半导体材料具有相似的特性,4H-SiC 的饱和电子漂移பைடு நூலகம்度是Si的两倍,从而为SiC器件提供了较高的电 流密度和较高的跨导。高击穿特性使SiC功率器件和开关器件具 有较Si和GaAs器件高3一4倍的击穿电压,高的热导率和耐高温特 性保证了SiC器件具有较高的功率密度及高温工作的可靠性。
Johnson 优良指数(JFM)表示器件高功率、 高频率性能的基本限制
KFM 表示基于体管开关速度的优良指数 质量因子 1(QF1)表示电力电子器件中有源 器件面积和散热材料的优良指数 QF2则表示理想散热器下的优良指数 QF3 表示对散热器及其几何形态不加任何 假设状况下的优良指数 Baliga 优良指数 BHFM 表示器件高频应用 时的优良指数。
碳化硅 IGBT
在碳化硅 MOSFET器件中，其通态电阻随着阻断电压的 上升而迅速增加。在高压领域，碳化硅 IGBT 器件将具有明 显的优势。由于受到工艺技术的制约，碳化硅 IGBT 的起步 较晚，高压碳化硅 IGBT 面临两个挑战：第一个挑战与碳化 硅 MOSFET 器件相同，沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁 移率问题；第二个挑战是N 型 IGBT 需要 P 型衬底，而 P 型衬 底的电阻率比N 型衬底的电阻率高 50 倍。因此， 1999 年制 成的第一个 IGBT 采用了 P 型衬底。经过多年的研发，逐步 克服了 P 型衬底的电阻问题， 2008 年报道了13 kV 的 N 沟道 碳化硅 IGBT 器件，比导通电阻达到 22 mΩ·cm2。
碳化硅电力电子器件
•碳化硅功率二极管 •碳化硅 MOSFET 器件 •碳化硅 IGBT •碳化硅晶闸管
碳化硅功率二极管
碳化硅功率二极管有 3 种类型：肖特基二极管(SBD)、 PiN 二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。在5kV阻断电 压以下的范围，碳化硅结势垒肖特基二极管是较好的选择。 JBS 二极管结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性 和 PiN 结二极管所拥有的低漏电流的特点。把JBS二极管结 构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结 二极管(MPS)。由于碳化硅二极管基本工作在单极型状态 下，反向恢复电荷量基本为零，可以大幅度地减少二极管 反向恢复引起的自身瞬态损耗以及相关的 IGBT开通瞬态损 耗，非常适用于开关频率较高的电路。