簡述碳化硅SIC器件在工業(yè)應用中的重要作用

電力電子轉換器在快速發(fā)展的工業(yè)格局中發(fā)揮著至關重要的作用。它們的應用正在增加，并且在眾多新技術中發(fā)揮著核心作用，包括電動汽車、牽引系統(tǒng)、太空探索任務、深層石油開采系統(tǒng)、飛機系統(tǒng)等領域的進步。

電力電子轉換器在快速發(fā)展的工業(yè)格局中發(fā)揮著至關重要的作用。它們的應用正在增加，并且在眾多新技術中發(fā)揮著核心作用，包括電動汽車、牽引系統(tǒng)、太空探索任務、深層石油開采系統(tǒng)、飛機系統(tǒng)等領域的進步。

電力電子電路不斷發(fā)展以實現(xiàn)更高的效率，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）等電力電子設備為令人興奮的創(chuàng)新打開了大門。硅（Si）基功率器件長期以來一直主導著市場，但由于較低的帶隙和電擊穿場，其性能已達到極限。因此，開關頻率、阻斷電壓和工作溫度存在限制。

隨著采用寬帶隙（WBG）材料設計的革命性新器件的引入，可以克服這些限制。碳化硅（SiC）是一種寬帶隙材料，已經(jīng)上市約二十年。SiC的固有載流子密度要小得多，允許高溫操作。此外，SiC的非常高的臨界電場使我們能夠設計額定值大于10 kV的設備。SiC器件的另一個理想特性是高開關速度和低寄生電容。這是因為較小的理想比傳導電阻允許SiC芯片小于Si器件。

SiC功率器件最重要的優(yōu)勢之一可能是它們能夠在更高的溫度下工作。例如，目前正在設計電動飛機，因此動力電子轉換器和電動執(zhí)行器系統(tǒng)將需要在熱發(fā)動機附近承受高溫。同樣，電動汽車的溫度也可能在很寬的范圍內(nèi)變化。功率器件在惡劣環(huán)境中工作的能力對于許多新興工業(yè)應用至關重要。幸運的是，與硅器件相比，第三代半導體材料氮化鎵（GaN）和SiC功率器件表現(xiàn)出越來越優(yōu)越的特性。從理論上講，SiC器件的WBG是硅的三倍，因此可以實現(xiàn)約600°C的結溫。

以下是對有前途的碳化硅功率器件的簡要介紹。

二極管

碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）是2001年上市的第一款商用碳化硅功率器件。SBD是SiC材料和肖特基二極管結構的組合，是Si PIN二極管的完美替代品。SBD優(yōu)于Si PIN二極管的最重要特性是其快速反向恢復特性。它不僅有望提高效率，而且由于反向恢復電流低，二極管關斷期間的轉換器振蕩和電磁干擾（EMI）問題也減少了。

該二極管的另一個變體是SiC結勢壘肖特基二極管（JBS）。大多數(shù)商業(yè)化的SiC二極管都基于JBS結構，其中幾個P+區(qū)域組合成肖特基區(qū)域。因此，很大一部分電場被推離肖特基勢壘，向P+區(qū)的下部區(qū)域推進。通過這種方式，可以降低關斷狀態(tài)漏電流，并且不會影響JBS二極管的速度。另一種類型的SiC二極管是SiC PIN二極管，非常適合在10 kV至20 kV范圍內(nèi)工作，因為電導率調制可有效降低漂移區(qū)域電阻。

碳化硅開關

在許多工業(yè)應用中，功率半導體器件的阻斷電壓要求約為1.2至3.3 kV。碳化硅MOSFET屬于這一類。與Si IGBT相比，SiC MOSFET中的多數(shù)載流子導通機制可顯著降低開關損耗。碳化硅MOSFET在結構上可分為兩種類型：規(guī)劃器和溝槽。雙植入金屬氧化物場效應晶體管（DIMOSFET）是規(guī)劃器SiC MOSFET的一個例子。

除了提高電氣性能外，可靠性是SiC MOSFET創(chuàng)新背后的另一個驅動力。此外，在航空航天應用和核電站中，所使用的功率器件必須能夠承受輻射。碳化硅MOSFET已被證明在這些環(huán)境中工作良好。SiC結場效應晶體管（JFETS）自2006年以來已上市。

碳化硅BJT非?？煽?，非常適合高溫環(huán)境。然而，缺點是驅動電流需要恒定穩(wěn)定，隨著溫度的升高，電流增益減小，驅動損耗增加。對于10 kV及更高電壓，SiC IGBT非常合適。

結語

SiC功率器件所展示的卓越動態(tài)特性為以前不切實際的電路鋪平了道路。與傳統(tǒng)的硅功率半導體器件相比，SiC電力電子器件具有許多優(yōu)點，包括提高轉換器效率，減少體積和重量以及更簡單的散熱組件。

但是，大規(guī)模采用SiC功率轉換器仍然具有挑戰(zhàn)性。SiC技術在電氣系統(tǒng)中的應用需要詳細了解系統(tǒng)架構，包括EMI和熱問題。另一個因素是SiC器件的成本相對較高。然而，基于SiC的轉換器可以徹底改變新興的工業(yè)系統(tǒng)和技術，如太陽能逆變器，電動汽車，感應加熱器和牽引系統(tǒng)等。這些設備的未來是有希望的。