碳化硅半导体

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1、碳化硅半导体碳化硅半导体2010-06-1420:13碳化硅半导体[作者:FrankJ.Bartos，CONTROLENGINEERING编辑顾问]碳化硅半导体碳化硅半导体2010-06-1420:13碳化硅半导体[作者:FrankJ.Bartos，CONTROLENGINEERING编辑顾问]在性能上的增长，纯硅功率晶体管有着令人羡慕的成绩，然而，对于高要求的功率开关和控制的应用上，它似乎已经到达了它的极限。碳化硅(SiC)，作为一种新型半导体材料，具有潜在的优点:更小的体积、更有效率、完全去除开关损耗、低漏极电流、比标准半导体(纯硅半导体)更高的开关频率以及在标准的12

2、5℃结温以上工作的能力。小型化和高工作耐温使得这些器件的使用更加自如，甚至可以将这些器件直接置于电机的外壳内。任何一种新技术都会经历由发展到成熟的过程，SiC也不例外。标准功率开关，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，有很大的产品基础和优化的生产技术。而SiC却需要投入大量经费和研发资金来解决材料问题和完善半导体制造技术。然而这种功率开关器件，能够在正向导通大电流和反向截止千伏电压之间快速执行开关动作，这样的性能是值得一试的。SiC最初的成功应用和主要应用发光二极管，用于汽车头灯和仪表盘其他照明场合。其他的市场包括开关电源和肖特基势垒二极管。将来会应用到包括混合动力车辆、功率

3、转换器(用于减小有源前置滤波器的体积)和交流/直流电机控制上。这些更高要求的应用还没有商业化，因为它们需要高质量的材料和大规模的生产力来降低成本。在全世界范围内，大量的研究经费投入到了公司、实验室和政府设施，以使SiC技术更加可行。一些专家预言，SiC技术的商业化、工业化甚至军工应用将在2到5年或者更远的时间内变成现实。图1:APEIInc.的这个功能齐全的基于SiC的3kW三相换流器原型，可以工作于250℃以上的温度。电机控制生产商对于SiC的发展特别有兴趣，有些甚至与研究人员和半导体生产商进行合作来促进SiC的发展。但是他们大多数都对这种协作关系闭口不谈。SiC技术的促

4、进者RockwellAutomation公司标准驱动部门的顾问工程师GarySkibinski博士说:"RockwellAutomation看到了这个新技术的潜在优点并认为自己是SiC技术的促进者。Rockwell公司也确定了SiC技术会如何融入其将来的商业计划。对于一个领先的公司，理解并接纳新兴技术是至关重要的。"发展正在逐步进行。Skibinski举例道，在驱动模块的每个标准IGBT上附加一个SiC功率二极管，作用如同变极飞轮二极管，作为提高生产力逻辑上的第一步;这种改变其次将会应用于功率开关上。他说:"纯SiC驱动仍处于研发和原型论证阶段。"相对于纯SiC模型(SiI

5、GBT+反平行二极管开关)的进展，在近期对于Si-SiC混合型功率模型(SiIGBT+商业SiC二极管)的研究中，Rockwell公司在减少能量损耗和增加载波频率上获得突破性进展。此模型总的功率损耗为Eon+Err+Eoff(见图2)。对于Si或者SiC二极管，不管Rgate值如何变化，Eoff的值都不会变化，但是当使用SiC二极管时，其他的两个功率损耗分量会因Rgate值的变化而发生变化。对于任何Rgate值，二极管反向恢复损耗Err实际上已经几乎减小到0(94%)。当Rgate=25Ω时GBT的Eon减小了37%，当Rgate=8绞保琁GBT的Eon减小了85%。图2:

6、RockwellAutomation近期的调查显示，相对于全硅模块，Si-SiC混合模块可以潜在地减小功率损耗Eon和Err。为了便于比较，全硅模块的IGBT功率损耗En被规格化为每一个单位3.3mJ。研究的结果证明了更高开关频率的可能性，在以前，更高的开关频率一直受限于纯硅二极管的反向恢复损耗。Err限制了在减小开启损耗上的进一步发展。Skibinski解释道:"硅模块的供应商推荐使用一个门电阻Rgate(例如25Ω，来平衡IGBT的开启能量损耗(Eon)关断能量损耗(Eoff)。"然而对于SiC二极管，门电阻Rgate就可以省去不用了。他说:"SiC二极管能够降低总功率

7、损耗(Eon+Err+Eoff)，这一特性仔驱动上的应用有着潜在优点。"首先，在使用同样的制冷系统的条件下，它可以达到4倍的开关频率，可以使前置电磁滤波器具有更好的性能、更小的体积和更低的价格。或者，你也可以保留现在的开关频率和制冷系统，这样就可以得到更高的效率和稳定性、更低的损耗、更高的额定输出。降低的总功率损耗可以潜在地降低制冷花费。YaskawaElectric是另一个采用SiC技术的驱动生产商，他把SiC技术应用于雷达屏幕上。YaskawaElectric总结SiC的基本的优点有:高工作温度、高开关速度、在