碳化硅電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀分析
發(fā)布時(shí)間：2016/8/23 訪問(wèn)人數(shù)：1183次
1 SiC二極管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
SiC電力電子器件中，SiC二極管最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2001年德國(guó)Infineon公司率先推出SiC二極管產(chǎn)品，美國(guó)Cree和意法半導(dǎo)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(wú)線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開(kāi)發(fā)肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和JBS結(jié)構(gòu)二極管。目前，SiC二極管已經(jīng)存在600V~1700V電壓等級(jí)和50A電流等級(jí)的產(chǎn)品。
SiC肖特基二極管能提供近乎理想的動(dòng)態(tài)性能。做為單子器件，它的工作過(guò)程中沒(méi)有電荷儲(chǔ)存，因此它的反向恢復(fù)電流僅由它的耗盡層結(jié)電容造成，其反向恢復(fù)電荷以及其反向恢復(fù)損耗比Si超快恢復(fù)二極管要低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，和它匹配的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗也可以得到大幅度減少，因此提高電路的開(kāi)關(guān)頻率。另外，它幾乎沒(méi)有正向恢復(fù)電壓，因而能夠立即導(dǎo)通，不存在雙極型器件的開(kāi)通延時(shí)現(xiàn)象。在常溫下，其正態(tài)導(dǎo)通壓降和Si超快恢復(fù)器件基本相同，但是由于SiC 肖特基二極管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，這將有利于將多個(gè)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(yīng)用成為可能。目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的最大容量的SiC二極管已經(jīng)達(dá)到了6500V/1000A的水平。由于SiC開(kāi)關(guān)管的發(fā)展相對(duì)二極管滯后，當(dāng)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(gè)模塊中以形成大功率開(kāi)關(guān)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(fù)二極管，顯著提高了工作頻率和整機(jī)效率。中低壓SiC肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開(kāi)關(guān)電源、光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)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(shù)和Trench JBS結(jié)構(gòu)。襯底減薄技術(shù)能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極管的導(dǎo)通電阻，增強(qiáng)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(shù)。在SiC晶格里，JBS結(jié)構(gòu)中離子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏條件下淺p-n結(jié)對(duì)肖特基結(jié)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(shí)才能突顯出來(lái)，但同時(shí)帶來(lái)的正向?qū)系缹挾茸冋?yīng)使得正向?qū)▔航碉@著增加。為了解決這一問(wèn)題，新一代SiC肖特基二極管的發(fā)展方向是Trench JBS結(jié)構(gòu)。Cree公司新一代SiC肖特基二極管同時(shí)采用Trench JBS結(jié)構(gòu)和襯底減薄技術(shù)，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(diǎn)，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實(shí)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(wèn)題和載流子遷移率過(guò)低的限制，同時(shí)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(jié)型結(jié)構(gòu)使得通常JFET的閾值電壓大多為負(fù)，即常通型器件，這對(duì)于電力電子的應(yīng)用極為不利，無(wú)法與目前通用的驅(qū)動(dòng)電路兼容。美國(guó)Semisouth公司和Rutgers大學(xué)通過(guò)引入溝槽注入式或者臺(tái)面溝槽結(jié)構(gòu)（TI VJFET）的器件工藝，開(kāi)發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增強(qiáng)型器件。但是增強(qiáng)型器件往往是在犧牲一定的正向?qū)娮杼匦缘那闆r下形成的，因此常通型（耗盡型）JFET更容易實(shí)現(xiàn)更高功率密度和電流能力，而耗盡型JFET器件可以通過(guò)級(jí)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)常斷型工作狀態(tài)。級(jí)聯(lián)的方法是通過(guò)串聯(lián)一個(gè)低壓的Si基MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。級(jí)聯(lián)后的JFET器件的驅(qū)動(dòng)電路與通用的硅基器件驅(qū)動(dòng)電路自然兼容。級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)非常適用于在高壓高功率場(chǎng)合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驅(qū)動(dòng)電路的兼容問(wèn)題。
目前，碳化硅JFET器件以及實(shí)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(jí)在1200V、1700V，單管電流等級(jí)最高可以達(dá)20A，模塊的電流等級(jí)可以達(dá)到100A以上。2011年，田納西大學(xué)報(bào)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(fù)載等級(jí)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(qiáng)型JFET以及碳化硅二極管并聯(lián)制作了電流等級(jí)為25A的三相電極驅(qū)動(dòng)模塊，并與現(xiàn)今較為先進(jìn)的IGBT、pin二極管模塊作比較：在同等功率等級(jí)下（25A/600V），面積減少到60%，該模塊旨在減小通態(tài)損耗以及開(kāi)關(guān)損耗以及功率回路當(dāng)中的過(guò)壓過(guò)流。
3 SiC MOSFET器件實(shí)用化取得突破
碳化硅MOSFE一直是最受矚目的碳化硅開(kāi)關(guān)管，它不僅具有理想的柵極絕緣特性、高速的開(kāi)關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，而且其驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單，并與現(xiàn)有的電力電子器件（硅功率MOSFET和IGBT）驅(qū)動(dòng)電路的兼容性是碳化硅器件中最好的。
SiC MOSFET器件長(zhǎng)期面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題和溝道電阻問(wèn)題。其中溝道電阻大導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)的損耗大，為減少導(dǎo)通損耗而降低導(dǎo)通電阻和提高柵氧層的可靠性的研發(fā)一直在進(jìn)行。降低導(dǎo)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(zhì)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(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)界面的氮注入，也被稱為界面鈍化，即在柵氧層生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束后，在富氮的環(huán)境中進(jìn)行高溫退火，這樣可以實(shí)現(xiàn)溝道載流子遷移率的提高，從而減小溝道電阻，減小導(dǎo)通損耗。降低導(dǎo)通電阻的方法之二是采用在柵極正下方開(kāi)掘溝槽的溝槽型柵極結(jié)構(gòu)。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(duì)單元進(jìn)行微細(xì)化時(shí)，容易導(dǎo)致JFET電阻增大的問(wèn)題，導(dǎo)通電阻的降低方面存在一定的局限性。而溝槽型在構(gòu)造上不存在JFET電阻。因此，適于降低溝道電阻、減小導(dǎo)通電阻，但是Si溝槽型MOSFET目前尚未解決溝槽刻蝕之后側(cè)壁溝道的表面問(wèn)題。
美國(guó)Cree和日本Rohm公司已經(jīng)能提供業(yè)界領(lǐng)先的碳化硅的MOSFET器件。美國(guó)已經(jīng)將碳化硅MOSFET器件應(yīng)用于開(kāi)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(yīng)用于美國(guó)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(zhuǎn)變?yōu)楦哳l（20kHz）固態(tài)功率變電站，預(yù)計(jì)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(jī)通過(guò)使用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二極管，研發(fā)出一個(gè)達(dá)11kW逆變器，它比基于硅器件制造的逆變器，降低能源損耗達(dá)七成，輸出功率為10W/cm3。日本三菱電機(jī)報(bào)道了使用強(qiáng)制風(fēng)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(shì)壘二極管，這套裝置的功率密度達(dá)到了50kVA/升，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅基裝置。2013年3月美國(guó)Cree發(fā)布第2代SiC MOSFET。與第1代產(chǎn)品相比，通過(guò)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(shù)的制約，碳化硅IGBT的起步較晚，高壓碳化硅IGBT面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一個(gè)挑戰(zhàn)與碳化硅MOSFET器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率問(wèn)題;第二個(gè)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(gè)IGBT采用了P型襯底。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)，逐步克服了P型襯底的電阻問(wèn)題，2008年報(bào)道了13kV的N溝道碳化硅IGBT器件，比導(dǎo)通電阻達(dá)到22mΩ×cm2。有報(bào)道對(duì)15kV的N-IGBT和MOSFET的正向?qū)芰ψ隽艘粋€(gè)比較，結(jié)果顯示，在結(jié)溫為室溫時(shí)，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(jié)溫為127？C時(shí)，IGBT在功耗密度為50 W/cm2以上的條件下就能夠?qū)ū萂OSFET更高的電流密度。同一年，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了阻斷電壓達(dá)到12 kV的P溝道碳化硅IGBT，導(dǎo)通比電阻降到了14mΩ×cm2，體現(xiàn)了明顯的電導(dǎo)調(diào)制能力。
碳化硅 IGBT器件的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用范圍為10kV以上的高壓領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域中，碳化硅MOSFET器件會(huì)面臨通態(tài)電阻過(guò)高的問(wèn)題，但是在10kV以下的應(yīng)用中，碳化硅IGBT 相對(duì)于碳化硅MOSFET 的優(yōu)勢(shì)并不十分明顯。在15 kV以上的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅IGBT綜合了功耗低和開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，相對(duì)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(shù)優(yōu)勢(shì)，特別適用于高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。新型高溫高壓碳化硅IGBT器件將對(duì)大功率應(yīng)用，特別是電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重大的影響。可以預(yù)見(jiàn)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(shù)中電力電子技術(shù)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(diǎn)的發(fā)展方向。碳化硅功率模塊已經(jīng)在一些高端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了初步應(yīng)用，包括高功率密度電能轉(zhuǎn)換、高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等，并具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。在碳化硅功率模塊領(lǐng)域，首先開(kāi)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(gè)實(shí)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(jìn)步，全碳化硅功率模塊不斷被研發(fā)出來(lái)。美國(guó)Cree公司報(bào)道了阻斷電壓10kV，電流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通過(guò)并聯(lián)模塊得到100A的電流傳輸能力。2009年美國(guó)Cree公司與Powerex公司開(kāi)發(fā)出了雙開(kāi)關(guān)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(guó)U.S. Army Research Laboratory研發(fā)了用20個(gè)80A的SiC MOSFET以及20個(gè)50A SiC肖特基二極管制作了一個(gè)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明功率損耗至少降低40%，在同樣輸出電流等級(jí)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(yù)計(jì)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。2012年，日本富士電機(jī)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(wú)焊線設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)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(diǎn)，同時(shí)損耗更低，與傳統(tǒng)同功率IGBT模塊相比具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，大小約為原先的1/2。2012年日本羅姆公司開(kāi)始推出全碳化硅功率模塊，2013年，美國(guó)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(kāi)關(guān)及低損耗的特性，可替換原來(lái)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(shí)現(xiàn)裝置的小型化，同時(shí)可以將電力轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗削減85%以上，大幅削減工業(yè)設(shè)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(yīng)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(shù)的成熟速度和成本下降的速度。
6 小結(jié)
碳化硅電力電子器件在提高電能利用效率和實(shí)現(xiàn)電力電子裝置的小型化方面將發(fā)揮越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)。碳化硅電力電子器件能提高電能利用的效率，來(lái)實(shí)現(xiàn)電能損失的減少，因?yàn)橄鄬?duì)于硅器件，碳化硅器件在降低導(dǎo)通電阻和減小開(kāi)關(guān)損耗等方面具有優(yōu)勢(shì)。比如，由二極管和開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(gè)能使電力轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)小型化的特性：更高的開(kāi)關(guān)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(jìn)行開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)頻率越高，電感和電容等儲(chǔ)能和濾波部件就越容易實(shí)現(xiàn)小型化;電能損失降低，發(fā)熱量就會(huì)相應(yīng)減少，因此可實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換器的小型化;而在結(jié)溫方面，硅器件在200°C就達(dá)到了極限，而碳化硅器件能在更高結(jié)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(zhuǎn)換器的冷卻機(jī)構(gòu)。
隨著碳化硅電力電子器件的技術(shù)進(jìn)步，目前碳化硅器件相對(duì)于硅器件，不僅有性能的巨大優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)成本上的優(yōu)勢(shì)也逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)美國(guó)Cree公司的評(píng)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(zhuǎn)換器的總成本。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)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(shí)更低的程度。以10kW級(jí)的升壓轉(zhuǎn)換器為例，按照Cree公司估算的結(jié)果，如果使用Si功率元件，在20kHz下開(kāi)關(guān)，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器的總成本。
在電力電子器件應(yīng)用的眾多領(lǐng)域，比如輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力機(jī)車、混合動(dòng)力汽車、各種工業(yè)電機(jī)、光伏逆變器、風(fēng)電并網(wǎng)逆變器、空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個(gè)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(shì)。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(lái)重要的技術(shù)革新，并推動(dòng)電力電子領(lǐng)域在今后二、三十年的發(fā)展。
