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碳化硅电力电子器件的发展现状分析

发布时间:2017-6-24 10:59:04 作者: 浏览:0

 在过去的十五到二十年中,碳化硅电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就,所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件,并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化,在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件,并初步展现出其巨大的潜力。碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。随着SiC单晶和外延材料技术的进步,各种类型的SiC器件被开发出来。SiC器件主要包括二极管和开关管。SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和PiN型二极管。SiC开关管的种类较多,具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管(MOSFET)、结型场效应开关管(JFET)、绝缘栅双极开关管(IGBT)三种。
       1. SiC二极管实现产业化
       SiC电力电子器件中,SiC二极管最先实现产业化。2001年德国Infineon公司率先推出SiC二极管产品,美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本,罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管(SBD)和JBS结构二极管。目前,SiC二极管已经存在600V~1700V电压等级和50A电流等级的产品。
       SiC 肖特基二极管能提供近乎理想的动态性能。做为单子器件,它的工作过程中没有电荷储存,因此它的反向恢复电流仅由它的耗尽层结电容造成,其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复二极管要低一到两个数量级。更重要的是,和它匹配的开关管的开通损耗也可以得到大幅度减少,因此提高电路的开关频率。另外,它几乎没有正向恢复电压,因而能够立即导通,不存在双极型器件的开通延时现象。在常温下,其正态导通压降和Si超快恢复器件基本相同,但是由于SiC 肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数,这将有利于将多个SiC肖特基二极管并联。在二极管单芯片面积和电流受限的情况下,这可以大幅度提高SiC肖特基二极管的容量,使它在较大容量中的应用成为可能。目前实验室报道的最大容量的SiC二极管已经达到了6500V/1000A的水平。由于SiC开关管的发展相对二极管滞后,当前更普遍的做法是将SiC 二极管和Si IGBT 和MOSFET器件封装在一个模块中以形成大功率开关组合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置中替换硅基快恢复二极管,显著提高了工作频率和整机效率。中低压SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领域上产生较大的影响。
       SiC肖特基二极管的发展方向是衬底减薄技术和Trench JBS结构。衬底减薄技术能够有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻,增强器件浪涌电流能力,减小器件热阻。Infineon公司于2012年9月发布第五代SiC SBD产品,首次采用衬底减薄技术。在SiC晶格里,JBS结构中离子注入p阱的深度受到限制(<1um),反偏条件下浅p-n结对肖特基结的屏蔽作用不是特别明显,只有在相邻p阱之间的间距较小时才能突显出来,但同时带来的正向导通沟道宽度变窄效应使得正向导通压降显著增加。为了解决这一问题,新一代SiC肖特基二极管的发展方向是Trench JBS结构。Cree公司新一代SiC肖特基二极管同时采用Trench JBS结构和衬底减薄技术,与传统的JBS二极管相比,正反向特性都得到了改善,不仅增加了电流密度(芯片面积减小50%);也提高了阻断电压(提高150V)和雪崩能力。
       2. SiC JFET器件的产业化发展
       碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点,是目前发展较快的碳化硅器件之一,并且率先实现了商业化。与MOSFET器件相比,JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制,同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。另外,JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。碳化硅JFET器件的门极的结型结构使得通常JFET的阈值电压大多为负,即常通型器件,这对于电力电子的应用极为不利,无法与目前通用的驱动电路兼容。美国Semisouth公司和Rutgers大学通过引入沟槽注入式或者台面沟槽结构(TI VJFET)的器件工艺,开发出常断工作状态的增强型器件。但是增强型器件往往是在牺牲一定的正向导通电阻特性的情况下形成的,因此常通型(耗尽型)JFET更容易实现更高功率密度和电流能力,而耗尽型JFET器件可以通过级联的方法实现常断型工作状态。级联的方法是通过串联一个低压的Si基MOSFET来实现。级联后的JFET器件的驱动电路与通用的硅基器件驱动电路自然兼容。级联的结构非常适用于在高压高功率场合替代原有的硅IGBT器件,并且直接回避了驱动电路的兼容问题。
       目前,碳化硅JFET器件以及实现一定程度的产业化,主要由Infineon和SiCED公司推出的产品为主。产品电压等级在1200V、1700V,单管电流等级最高可以达20A,模块的电流等级可以达到100A以上。2011年,田纳西大学报到了50kW的碳化硅模块,该模块采用1200V/25A的SiC JFET并联,反并联二极管为SiC SBD。2011年,Global Power Electronics研制了使用SiC JFET制作的高温条件下SiC三相逆变器的研究,该模块峰值功率为50kW(该模块在中等负载等级下的效率为98.5%@10kHz、10kW,比起Si模块效率更高。2013年Rockwell 公司采用600V /5A MOS增强型JFET以及碳化硅二极管并联制作了电流等级为25A的三相电极驱动模块,并与现今较为先进的IGBT、pin二极管模块作比较:在同等功率等级下(25A/600V),面积减少到60%,该模块旨在减小通态损耗以及开关损耗以及功率回路当中的过压过流。
       3. SiC MOSFET器件实用化取得突破
       碳化硅MOSFE一直是最受瞩目的碳化硅开关管,它不仅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,而且其驱动电路非常简单,并与现有的电力电子器件(硅功率MOSFET和IGBT)驱动电路的兼容性是碳化硅器件中最好的。
       SiC MOSFET器件长期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。其中沟道电阻大导致导通时的损耗大,为减少导通损耗而降低导通电阻和提高栅氧层的可靠性的研发一直在进行。降低导通电阻的方法之一是提高反型沟道的载流子迁移率,减小沟道电阻。为了提高碳化硅MOSFET栅氧层的质量,降低表面缺陷浓度,提高载流子数量和迁移率,一种最通用的办法是实现生长界面的氮注入,也被称为界面钝化,即在栅氧层生长过程结束后,在富氮的环境中进行高温退火,这样可以实现沟道载流子迁移率的提高,从而减小沟道电阻,减小导通损耗。降低导通电阻的方法之二是采用在栅极正下方开掘沟槽的沟槽型栅极结构。目前已经投产的SiCMOSFET都是“平面型”。平面型在为了降低沟道电阻而对单元进行微细化时,容易导致JFET电阻增大的问题,导通电阻的降低方面存在一定的局限性。而沟槽型在构造上不存在JFET电阻。因此,适于降低沟道电阻、减小导通电阻,但是Si沟槽型MOSFET目前尚未解决沟槽刻蚀之后侧壁沟道的表面问题。
       美国Cree和日本Rohm公司已经能提供业界领先的碳化硅的MOSFET器件。美国已经将碳化硅MOSFET器件应用于开发2.7MVA的固态功率变电站,该固态功率变电站可能将被应用于美国下一代航空母舰CVN-21的配电系统中。采用全碳化硅功率模块,可以使传统的低频(60Hz)变压器转变为高频(20kHz)固态功率变电站,预计使变压器的重量由6吨降低到1.7吨,体积从10立方米降低到2.7立方米,大大提高舰船系统的性能。2012年,日本三菱电机通过使用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二极管,研发出一个达11kW逆变器,它比基于硅器件制造的逆变器,降低能源损耗达七成,输出功率为10W/cm3。日本三菱电机报道了使用强制风冷的三相400V输出全碳化硅逆变器,采用了碳化硅JFET和碳化硅肖特基势垒二极管,这套装置的功率密度达到了50kVA/升,远高于传统的硅基装置。2013年3月美国Cree发布第2代SiC MOSFET。与第1代产品相比,通过缩小芯片面积等手段压缩了成本。以耐压为1.2kV的品种为例,第2代芯片面积比第1代缩小了约40%。
       4. SiC IGBT器件
       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13kV的N沟道碳化硅IGBT器件,比导通电阻达到22mΩ×cm2。有报道对15kV的N-IGBT和MOSFET的正向导通能力做了一个比较,结果显示,在结温为室温时,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。在结温为127?C时,IGBT在功耗密度为50 W/cm2以上的条件下就能够导通比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,导通比电阻降到了14mΩ×cm2,体现了明显的电导调制能力。
       碳化硅 IGBT器件的优势应用范围为10kV以上的高压领域。在这一领域中,碳化硅MOSFET器件会面临通态电阻过高的问题,但是在10kV以下的应用中,碳化硅IGBT 相对于碳化硅MOSFET 的优势并不十分明显。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应用领域。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。可以预见的是,高压碳化硅IGBT器件将和PiN二极管器件一起,成为下一代智能电网技术中电力电子技术最核心的器件。
       5. SiC 功率模块
       碳化硅功率模块是全球电力电子器件大型企业目前重点的发展方向。碳化硅功率模块已经在一些高端领域实现了初步应用,包括高功率密度电能转换、高性能电机驱动等等,并具有广阔的应用前景和市场潜力。在碳化硅功率模块领域,首先开始研发的是基于碳化硅功率二极管和硅基IGBT的混合功率模块。第一个实现商用的采用碳化硅二极管和硅基IGBT的高功率模块是Infineon公司的PrimePACK产品。随着碳化硅器件的进步,全碳化硅功率模块不断被研发出来。美国Cree公司报道了阻断电压10kV,电流20A的碳化硅MOSFET芯片,并可以通过并联模块得到100A的电流传输能力。2009年美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关1200V、100A的碳化硅功率模块,该模块由耐高压和大电流的碳化硅的MOSFET器件和碳化硅肖特基二极管组成。2011年,美国U.S. Army Research Laboratory研发了用20个80A的SiC MOSFET以及20个50A SiC肖特基二极管制作了一个1200V/800A的双向功率模块。该模块用作全桥逆变并与Si器件比较实验,结果表明功率损耗至少降低40%,在同样输出电流等级情况下SiC的模块可以工作在Si模块的4倍频状态。该模块预计用于电动汽车领域。2012年,日本富士电机公司研发基于SiC MOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模块。该模块采用新型无焊线设计、氮化硅陶瓷作衬底制作,可以在200°C高温工作作,并且类似倒装芯片的压接式设计使得该模块与起传统的铝线键合模块相比具有内电感低的特点,同时损耗更低,与传统同功率IGBT模块相比具有更紧凑的结构,大小约为原先的1/2。2012年日本罗姆公司开始推出全碳化硅功率模块,2013年,美国的CREE公司和日本的三菱公司也推出了1200V/100A的全碳化硅模块。这些全碳化硅功率模块组合了碳化硅MOSFET器件和肖特基二极管,利用高速开关及低损耗的特性,可替换原来额定电流为200~400A的硅基IGBT模块。因器件散热性提高,使得装置的体积缩小了一半,并且发热量小,可缩小冷却装置,实现装置的小型化,同时可以将电力转换时的损耗削减85%以上,大幅削减工业设备的电力损耗。全碳化硅MOSFET(或JFET)模块的优良特性使它具备在10kV以下的应用中取代硅基IGBT的巨大潜力,取代的速度和范围将取决于碳化硅材料和器件技术的成熟速度和成本下降的速度。
       6. 小结
       碳化硅电力电子器件在提高电能利用效率和实现电力电子装置的小型化方面将发挥越来越大的优势。碳化硅电力电子器件能提高电能利用的效率,来实现电能损失的减少,因为相对于硅器件,碳化硅器件在降低导通电阻和减小开关损耗等方面具有优势。比如,由二极管和开关管组成的逆变电路中,仅将二极管材料由硅换成碳化硅,逆变器的电能损失就可以降低15~30%左右,如果开关管材料也换成SiC,则电能损失可降低一半以上。利用碳化硅制作的电力电子器件具备三个能使电力转换器实现小型化的特性:更高的开关速度、更低的损耗和更高的工作温度。碳化硅器件能以硅器件数倍的速度进行开关。开关频率越高,电感和电容等储能和滤波部件就越容易实现小型化;电能损失降低,发热量就会相应减少,因此可实现电力转换器的小型化;而在结温方面,硅器件在200°C就达到了极限,而碳化硅器件能在更高结温和环境温度的情况下工作,这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。
       随着碳化硅电力电子器件的技术进步,目前碳化硅器件相对于硅器件,不仅有性能的巨大优势,在系统成本上的优势也逐渐显现。根据美国Cree公司的评估,与使用硅IGBT和硅二极管相比,使用该公司的第2代SiC MOSFET和SiC二极管能够降低升压转换器的总成本。具体来说,通过提高开关频率来缩小电感器、降低电感器的成本,可使总成本压缩到比使用Si功率元件时更低的程度。以10kW级的升压转换器为例,按照Cree公司估算的结果,如果使用Si功率元件,在20kHz下开关,需要的成本是181.4美元,而使用SiC功率元件,在60kHz、100kHz下驱动的话,成本将分别降至170美元、163美元。使用SiC功率元件有望降低电力转换器的总成本。
       在电力电子器件应用的众多领域,比如输电系统、配电系统、电力机车、混合动力汽车、各种工业电机、光伏逆变器、风电并网逆变器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等,碳化硅器件将逐步地展现出其性能和降低系统成本方面的优势。作为下一代电力电子器件的主要方向,碳化硅电力电子器件将为电力电子带来重要的技术革新,并推动电力电子领域在今后二、三十年的发展。

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