新型电力电子器件—碳化硅

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。
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。
பைடு நூலகம்
在电力系统中的应用
较之传统的电力系统控制设备而言，现代电力电子装置具 有一系列特点：变流、变频和调相能力；快速的响应性能(数 ms)；利用极小的功率控制极大功率；可实现高精度控制(对于 50~60 Hz 系统，器件触发相位可精确到 0.1°)；变流器体积小、 重量轻等。因此近年来电力电子技术在电能的发生、输送、分 配和使用都得到了广泛的应用，但是与其它应用领域相比，电 力系统要求电力电子装置具有更高的电压，更大的功率容量和 更高的可靠性。由于在电压、功率耐量方面的限制，上述这些 硅基大功率器件不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓 扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加， 制约了现代电力电子技术在现代电力系统中的应用。
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。
• 固态变压器 • 柔性交流输电 • 静止无功补偿 • 高压直流输电
固态变压器
随着分布式发电系统、智能电网技术以及可再生能源的发展，固 态变压器作为其中的关键技术受到广泛关注。固态变压器技术被 MIT Technology Review 选 为 2011 年 的 Top Ten Emerging Technology。
固态变压器是一种以电力电子技术为核心的变电装置，它通过电 力电子变流器和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递及 控制，以取代电力系统中的传统的工频变压器。与传统电力变压器相 比，具有体积小、重量轻等优点，同时具有传统变压器所不具备的诸 多优点，包括供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能 力、频率变换、输出相数变换以及便于自动监控等优点。
应用领域。
碳化硅晶闸管
在大功率的工频开关应用中，比如高压直流输电(HVDC)、动态 无功功率补偿、超大电流电解等， 晶闸管以其耐压高、 通态压降 小、通态功耗低而具有较大优势。对碳化硅晶闸管的研究主要集 中在 GTO 上。 碳化硅门级换流晶闸管(SiC GT)的研发也受到特别的 关注。 2006 年有研究报道了面积为 8mm*8 mm 的 SiCGT 芯片，其 导通峰值电流高达200A。 2010 年报道了单芯片脉冲电流达到 2 000A 的 SiCGT 器件，如图 6 所示。
作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电 特性，正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要 系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于 500 ℃ )特性，突破了硅 基功率半导体器件电压(数 kV)和温度(小于 150 ℃ )限制所导致的严重 系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研 发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先 在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在 600~1 700 V。 随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器 件的道路上取得进步。随着高压碳化硅功率器件的发展，已经研发出 了 19.5 kV 的碳化硅二极管， 3.1 kV和 4.5 kV 的门极可关断晶闸管 (GTO)，10 kV 的碳化硅 MOSFET和 13~15 kV碳化硅IGBT 等。它们的研 发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统中的高压领域开辟全新 的应用，对电力系统的变革产生深远的影响。
图 5 对 15 kV 的 N-IGBT 和MOSFET 的正向导通能力做了 一个比较，结果显示，在结 温 为 300 K 时，在芯片 功耗密 度为200 W/cm2 以下的条件下， MOSFET 可以获得更大的 电流密度，而在更高的功耗密度条件下， IGBT可以获得更 大的电流密度。 但是在结温为 127 ℃时，IGBT 在功耗密度 为导通比 MOSFET 更高的电流密度。同一年，该团队还报 道了阻断电压达到 12 kV 的 P 沟道碳化硅IGBT，导通比电阻 达到 14 mΩ·cm2。新型高温高压碳化硅 IGBT 器件将对大功 率应用，特别是电力系统的应用产生重大的影响。在15 kV 以上的应用领域，碳化硅 IGBT 综合了功耗低和开关速度快 的特点， 相对于碳化硅的 MOSFET以及硅基的 IGBT、晶闸 管等器件具有显著的技术优势，特别适用于高压电力系统
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
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。
FACTS 技术中的核心是各种以电力电子技术或者其他静止设备为基础 的 FACTS 控制器，对 AC 输电系统的一个或者多个参数进行有效控制，使 得原先基本不可控的输电网变得可以全面控制，以达到电力系统安全、可 靠和经济运行。
将固态变压器应用到电力系统后，将会给电力系统带来许多新的 特点，有助于解决电力系统中所面临的许多问题。固态变压器的输入 侧电压等级非常高，一般在数千至数万伏，目前多采用拓扑或器件串 联的方式，结构较为复杂。图 7 所示为 10 kVA的固态变压器示意图 。
目前在世界上对固态变压器的研究主要包括：欧盟的 UNIFLEXPM(未来电网通用灵活电能管理先进功率变流器)项目，每相采用 4 个 H 桥串联来承受 1.9 kV 电压；美国 FREEDM(未来可再生能源利用 和分配管理中心 )的第一代固态变压器采用6.5 kV 的 HV-IGBT， 每相 3 个 H 桥串联来承受 7.2 kV电压；第二代固态变压器将基于 15 kV 的 碳化硅MOSFET，不再使用器件或拓扑串联，开关频率有望从原来的 1kHz 提升到 20 kHz。新兴的碳化硅电力电子器件，特别是 15kV以 上碳化硅 MOSFET、IGBT 的出现，将有利于固态变压器的结构简化 及可靠性提升。
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本上稳定在10 9 -10 10W·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。
柔性交流输电系统
电力电子技术应用的发展，促成了近年来交流电网中的一个前沿领 域——柔性交流输电系统(FACTS)的诞生。FACTS 是指电力电子技术与现代 控制技术结合， 以实现对交流输电系统电压、相位角、品质、功率潮流 的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定 水平，降低输电损耗。
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。