SiC技术的优点、缺点介绍.docx

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1、高效SiC技术的介绍和分析　　摘要：随着电力电子变换系统对于效率和体积提出更高的要求，SiC（碳化硅）将会是越来越合适的半导体器件。尤其针对光伏逆变器和UPS应用，SiC器件是实现其高功率密度的一种非常有效的手段。本文主要介绍SiC技术优点、缺点及目前应用层面的一些瓶颈。　　1.引言　　由于SiC相对于Si的一些独特性，对于SiC技术的研究，可以追溯到上世界70年代。　　简单来说，SiC主要在以下3个方面具有明显的优势:　　击穿电压强度高（10倍于Si）　　更宽的能带隙（3倍于Si）　　热导率高（3倍于Si

2、）　　这些特性使得SiC器件更适合应用在高功率密度、高开关频率的场合。当然，这些特性也使得大规模生产面临一些障碍，直到2000年初单晶SiC晶片出现才开始逐步量产。目前标准的是4英寸晶片，但是接下来6英寸晶片也要诞生，这会导致成本有显着的下降。而相比之下，当今12英寸的Si晶片已经很普遍，如果预测没有问题的话，接下来4到5年的时间18英寸的Si晶片也会出现。　　Vincotech公司十几年前就已经采用SiC二极管来开发功率模块。SiC二极管由于其卓越的反向恢复特性，可以有效的减小它本身的开关损耗和IGBT的

3、开关损耗。SiC肖特基二极管虽然已经应用了很多年，但是还需要进一步改善价格来获得更广阔的市场。　　最近几年的主要研究和应用是基于SiC的有源开关器件，比如SiCMOSFET和SiCJFET.从目前电压等级4Kv以下的应用来看，SiCMOSET有打败SiCJFET的势头。SiCMOSFET有着卓越的开关损耗和超小的导通损耗。SiCMOSFET大批量商业化的最大障碍目前还是由于其居高不下的价格。然而我们还是要综合评估整个系统成本，因为SiCMOSFET还是带来系统整个体积和其他成本的下降。文本会介绍一些SiC和

4、Si在效率、损耗方面的对比来证明SiC在高频应用上的优势。　　采用boost模型，对比分析SiC和Si器件的损耗　　我们来看一下boost电路。像光伏逆变器的前级升压就会用到这类电路。下图1是典型的boost电路拓扑。　　图1：boost电路拓扑　　我们以光伏应用中最典型的工况为例，输入350V,输出700V。输入电流和开关频率暂时不定。以下的仿真对比分析会采用VincotechFlowISE仿真工具，这样可以更快的对不同电流，不同频率的工况做出对比分析。这些对比分析会采用以下几款型号来代表不同的芯片组合：

5、　　-IGBT+Si二极管　　oflowBOOST0(型号：V23990-P629-F72-PM)1200V/40A超快IGBT+30A/1200VSTEALTHTH二极管　　-IGBT+SiC二极管　　oflowBOOST0(型号：V23990-P629-F62-PM)1200V/40A超IGBT+3*1200V/5ASiC二极管　　-SiCMOSFET+SiC二极管　　oflowBOOST0SiC(型号：10-PZ12B2A045MR-M330L18Y)45mΩ/1200VSiCMOSFET+4x10A

6、/1200VSiC二极管　　接下来我们来看一下它们的效率对比。首先把Si二极管改成SiC二极管。图2是两者不同功率时效率的对比曲线。当开关频率大于4Khz时，SiC二极管对效率的改善就显现出来。当开关频率16Khz，电流5A时，损耗下降50%，由1.6%下降到0.8%。如果进一步把IGBT也改成SiCMOSFET的话，损耗进一步下降37%到0.5%。如图3.当开关频率进一步提高，大于32Khz时，SiCMOSFET的效果将会更加明显。保持输入电流不变，进一步提升开关频率由16khz到64Khz，损耗相对下降

7、35%。从这里可以看出，SiCMOSFET非常适合高频化的应用，甚至是在大电流输入的时候，只要能保证有较好的散热系统。以上的这些仿真是基于散热器温度80度。Si器件由于其自身的限制，在高频、高效的应用中会有很多局限，而SiC不同，正是其自身的属性，刚好可以满足更高效率、更高开关频率的应用。　　图2：IGBT+Si或者SiC二极管，4到16Khz时不同电流的效率对比曲线　　图3：IGBT+SiC二极管和SiCMOSFET+SiC二极管，16到64Khz，不同电流的效率对比曲线　　下面的几幅图从输出电流能力的角

8、度来说明SiC器件相对Si器件的优势。例如，假设50W总损耗，开关频率16Khz，如图4所示，IGBT+SiC二极管的组合，输出电流能力比IGBT+Si二极管的组合大85%。　　保持SiC二极管不变，对比IGBT和SiCMOSFET的性能。从图5可以看出，SiCMOSFET+SiC二极管的组合输出电流能力比IGBT+SiC二极管要大50%。输出能力的提升，主要的根源在于不同的芯片配置，可以有效的减小器件的损耗。