新型电力电子器件—碳化硅教学文案

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。
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。
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。
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。
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 的饱和电子漂移速度是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。
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Байду номын сангаас
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。
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。