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碳化硅二極管和碳化硅MOS管你了解多少




本文主要是講碳化硅二極管的應用領域與歷史介紹、詳解碳化硅MOS管分類及結構。硅與碳的唯一合成物就是碳化硅(SiC),俗稱金剛砂。SiC 在自然界中以礦物碳硅石的形式存在,但十分稀少。不過,自1893 年以來,粉狀碳化硅已被大量生產用作研磨劑。碳化硅用作研磨劑已有一百多年的歷史,主要用于磨輪和眾多其他研磨應用。
 
1、LED
 
電致發光現象最早于1907 年使用碳化硅發光二極管(LED) 發現。很快,第一批商用SiC 基LED 就生產出來了。20 世紀70 年代,前蘇聯生產出了黃色SiC LED,20 世紀80 年代藍色LED 在世界范圍內廣泛生產。后來推出了氮化鎵(GaN) LED,這種LED 發出的光比SiC LED 明亮數十倍乃至上百倍,SiC LED 也因此幾乎停產。然而,SiC 仍然是常用于GaN 設備的基底,同時還用作高功率LED 散熱器。
 
2、避雷器
 
達到閾值電壓(VT) 前,SiC 都具有較高的電阻。達到閾值電壓后,其電阻將大幅下降,直至施加的電壓降到VT 以下。最早利用該特性的SiC 電氣應用是配電系統中的避雷器(如圖)。
 
 
由于SiC 擁有壓敏電阻,因此SiC 芯塊柱可連接在高壓電線和地面之間。如電源線遭雷擊,線路電壓將上升并超過SiC 避雷器的閾值電壓(VT),從而將雷擊電流導向并傳至地面(而非電力線),因此不會造成任何傷害。但是,這些SiC 避雷器在電力線正常工作電壓下過于導電。因而必須串聯一個火花隙。當雷擊使電源線導線的電壓上升時,火花隙將離子化并導電,將SiC 避雷器有效地連接在電力線和地面之間。后來,相關人員發現避雷器中使用的火花隙并不可靠。由于材料失效、灰塵或鹽侵等原因,可能出現火花隙在需要時無法觸發電弧,或者電弧在閃電結束后無法猝熄的情況。SiC 避雷器本來是用來消除對火花隙的依賴的,但由于其不可靠,有間隙的SiC 避雷器大多被使用氧化鋅芯塊的無間隙變阻器所取代。
 
3、電力電子中的SiC
 
使用SiC 生產的半導體設備有多種,包括肖特基二極管(也稱肖特基勢壘二極管,或SBD)、J 型FET(或JFET),以及用于大功率開關應用的MOSFET。SemiSouth Laboratories(已于2013 年倒閉)在2008 年推出了第一款商用1200 V JFET,Cree 在2011 年生產了第一款商用1200 V MOSFET。在此期間,一些公司也開始嘗試將SiC 肖特基二極管裸芯片應用到電力電子模塊中。事實上,SiC SBD 已廣泛用于IGBT 電源模塊和功率因數校正(PFC) 電路。
 
SiC的利與弊
 
SiC 基電力電子元件如此吸引人的一個原因就是,在既定阻斷電壓條件下,其摻雜密度比硅基設備幾乎高出百倍。這樣就可以通過低導通電阻獲得高阻斷電壓。低導通電阻對高功率應用至關重要,因為導通電阻降低時發熱少,從而減少了系統熱負荷并提高了整體效率。
 
但生產SiC 基電子元器件本身也存在一些難點,消除缺陷成了最重要的問題。這些缺陷會導致SiC 晶體制成的元器件反向阻斷性能較差。除了晶體質量問題,二氧化硅和SiC 的接口問題也阻礙了SiC 基功率MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體的發展。幸運的是,生產中使用滲氮工藝可使造成這些接口問題的缺陷大大降低。
 
SiC研磨片
 
碳化硅仍然在許多工業應用中用作研磨劑。其在電子行業中主要用作拋光膜,用于在拼接前為光導纖維的兩端拋光。這些膜片能夠給光纖接頭帶來有效運作所需的高光潔度。碳化硅的生產已有一百多年的歷史, 但直到最近才用于電力電子行業。由于其具備特殊的物理和電氣特性,在高壓和高溫應用中十分有用。
 
如今-碳化硅二極管在各個領域的應用
 
1.太陽能逆變器
 
太陽能發電用二極管的基本材料,碳化硅二極管的各項技術指標均優于普通雙極二極管(silicon bipolar)技術。碳化硅二極管導通與關斷狀態的轉換速度非常快,而且沒有普通雙極二極管技術開關時的反向恢復電流。在消除反向恢復電流效應后,碳化硅二極管的能耗降低70%,能夠在寬溫度范圍內保持高能效,并提高設計人員優化系統工作頻率的靈活性。
 
2.新能源汽車充電器
 
碳化硅二極管通過汽車級產品測試,極性接反擊穿電壓提高到650V,能夠滿足設計人員和汽車廠商希望降低電壓補償系數 的要求,以確保車載充電半導體元器件的標稱電壓與瞬間峰壓 ,之間有充足的安全裕度 。二極管的雙管產品 ,可最大限度提升空間利用率,降低車載充電器的重量。
 
3.開關電源優勢
 
碳化硅的使用可以極快的切換,高頻率操作,零恢復和溫度無關的行為,再加我們的低電感RP包,這些二極管可以用在任向數量的快速開關二極管電路或高頻轉換器應用。
 
4.工業優勢
 
碳化硅二極管:重型電機、工業設備主要是用在高頻電源的轉換器上,可以帶來高效率、大功率、高頻率的優勢。
 
 
SiC器件
 
一、SiC器件分類
 
 
SiC-MOSFET
 
SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關注的器件。在Si材料已經接近理論性能極限的今天,SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性,一直被視為“理想器件”而備受期待。然而,相對于以往的Si材質器件,SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求,將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。
 
二、碳化硅MOS的結構
 
碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)N+源區和P井摻雜都是采用離子注入的方式,在1700℃溫度中進行退火激活。另一個關鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在,需要非常特殊的柵介質生長方法。其溝槽星結構的優勢如下:
 
 
SiC-MOSFET采用溝槽結構可最大限度地發揮SiC的特性。
 
 
三、碳化硅MOS的優勢
 
硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制,高壓高頻的硅器件無法實現。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍,同時具備單極型器件的卓越開關性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關損耗和更高的工作頻率。
 
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半, 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優勢。
 
碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr。如圖所示,同一額定電流900V的器件,碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說(特別當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候),這個指標非常關鍵,它可以減小死區時間以及體二極管的反向恢復帶來的損耗和噪音,便于提高開關工作頻率。
 
 
四、碳化硅MOS管的應用
 
碳化硅MOSFET模塊在光伏、風電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統應用上具有巨大的優勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優勢,可以突破現有電動汽車電機設計上因器件性能而受到的限制,這是目前國內外電動汽車電機領域研發的重點。如電裝和豐田合作開發的混合電動汽車(HEV)、純電動汽車(EV)內功率控制單元(PCU),使用碳化硅MOSFET模塊,體積比減小到1/5。三菱開發的EV馬達驅動系統,使用SiC MOSFET模塊,功率驅動模塊集成到了電機內,實現了一體化和小型化目標。預計近幾年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應用在國內外的電動汽車上。
 

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