高效率电力变换用sic功率半导体的研发

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1、高效率电力变换用SiC功率半导体的研发DevelopmentsforHi-efficiencyPowerTranferingSiCPowerSemiconductors邓隐北，张慧敏河南汇德电气有限公司中图分类号：TM23文献标识码：B文章编号：1606-7517(2016)06-6-1411前言3.26eV（电子伏特），约为Si半导体1.1eV的3倍。反映这一特性的绝缘击穿电场强度：SiC为3MV/cm；Si为全部能源中对电源的利用程度达到40%以上，电源显0.3MV/cm，相差甚殊，如在相同厚度下，SiC半导体器件示出愈益重要的作用。电能从发电到负载端，其使用过程中，则可实现10倍的高耐压

2、性。SiC的最高结温可达600℃，在重要场所的电压升降和频率变换，加之在用户端的负载，还有较低的本征载流子浓度，这均使得器件能在高电压、包括企业用电设备、办公事业设备、家用电器产品，均离高温度下工作。同时，SiC具有较高的饱和迁移速度和较不开各种各类的电力电子(PE)器件。低的介电系数，使用的SiC器件高频特性好，在高电压下功率半导体是电力电子和电能转换系统核心的技术基多数载流子器件开关时间短，开关频率高达1MHz，可望础，对实现国家节能减排、建立资源节约型社会的目标，实现高频操作。此外，SiC功率器件的热传导率为4.9W/将起到举足轻重的作用。cmk（与金属铜相等），比Si基器件的1.5W/

3、cmk大3倍以上，近年来，迫切希望绿色能源的有效形成和能源利用效因其热传导率高，故可望高温操作，采用的冷却方式也相率的提高，对太阳能电池和功率半导体的革新改进期望很应简易。另据简单分析，固有的通态阻抗反比于绝缘击穿大。功率器件是承担交流→直流及直流→交流的电力变换、场强的3次方，考虑到电子的移动度，能将损耗减小2个电压变化、频率变换等电力变换器的关键器件。作为主要数量级。应用领域有电源、家电、汽车、工业用设备、电气车辆、作为一种新型宽禁带半导体材料，SiC因其出色的物输配电等。电力从发电站输出，由送电、配电迄至在负载理性能及电特性，正愈益受到产业界的广泛关注。SiCPE中消费用电，其间经过多个

4、阶段的变换，转换效率约保持器件的重要系统优势在于：具有高压（达数万伏）、高温在85~95%，也即，电力变换的程度约10%的电力变成了（500℃以上）特性，突破了Si基功率半导体器件电压（数废热。如何降低这一变换损耗？这是在该领域中一个重大KV）和温度（<150℃）所制约的严重局限性。与Si基器的研究课题。件对比，宽禁带半导体器件具有击穿电压高、导通压降小、2SiC功率器件的优点开关损耗低、工作温度高等优势，代表了未来功率器件的发展方向。表1列出SiC（4H-SiC）、Si、GaAs的主要物现在的功率器件几乎大部分是由硅(Si)制作的，因技理性能值。术的成熟，今后要想飞跃发展很不容易。在此情况下

5、，非常期望开发出新的功率半导体材料。作为下一代功率器件3SiC半导体材料用半导体而引人注目的是SiC（碳化硅）和氮化镓(GaN)。SiC材料相比于Si材料，由于能带隙较宽，能级为如上节所述，SiC具有高的禁带宽度、高的饱和电子PB磁性元件与电源·2016.062016.06·磁性元件与电源1411419-31420-3杂质在n型中10~10cm和p型中的10~10cm的范围内是可控制的。SiC的CVD生长必需约1600℃的高温，开发了能获得优良均匀性、再现性的多枚同时生长装置，开始了器件的实用化进程。4SiC功率器件的特征功率器件要求的最重要特性是工作时的电力损耗小。多数场合下电力损耗的主要因

6、素是通电时的焦耳热，如何使额定电流下能达到低的电压降这点很重要。通态电压主要取决于通电时器件的串联阻抗（通态阻抗），故降低通态漂移(dirft)速度、高的绝缘击穿强度、低的介电常数和高阻抗是关键。的热导率等一系列优越特性。由此，决定了SiC在高温、SiC（及GaN）功率器件比Si器件有显著小的通态阻抗，高频率、高功率的应用场合下是极为理想的半导体材料。其原因可由图1来说明。对晶片单侧阶段结合施加以反向在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻为硅耐压(VB)时，其半导体的耗尽层（过渡层）内的电场分布器件电阻的1/200，即使高耐压的SiC场效应管的导通压降，如图1所示。当结合界面的最大电

7、场达到材料的绝缘击穿也比单极型、双极型硅器件低的多。而且，SiC器件的开电场(EB)时，这一结合被击穿。此时，耗尽层宽度(WM)最大。关时间可达10ns量级。以表示电场分布的直线作为直角三角形的边，耐压则由直SiC在禁带宽半导体中是例外的p、n双传导型，大范角三角形的面积表示。SiC的绝缘击穿强度为Si的10倍，1420-3故制作该耐压器件时，按如图所示纵向长度的三角形，能围价电子控制(10~10