2014年碳化硅电力电子器件的发展现状分析

　　在过去的十五到二十年中，碳化硅电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就，所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件，并初步展现出其巨大的潜力。碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。随着SiC单晶和外延材料技术的进步，各种类型的SiC器件被开发出来。SiC器件主要包括二极管和开关管。SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和PiN型二极管。SiC开关管的种类较多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、绝缘栅双极开关管（IGBT）三种。

　　1. SiC二极管实现产业化

　　SiC电力电子器件中，SiC二极管最先实现产业化。2001年德国Infineon公司率先推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管（SBD）和JBS 结构二极管。目前，SiC二极管已经存在600V~1700V电压等级和50A电流等级的产品。

　　SiC 肖特基二极管能提供近乎理想的动态性能。做为单子器件，它的工作过程中没有电荷储存，因此它的反向恢复电流仅由它的耗尽层结电容造成，其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复二极管要低一到两个数量级。更重要的是，和它匹配的开关管的开通损耗也可以得到大幅度减少，因此提高电路的开关频率。另外，它几乎没有正向恢复电压，因而能够立即导通，不存在双极型器件的开通延时现象。在常温下，其正态导通压降和Si超快恢复器件基本相同，但是由于SiC 肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数，这将有利于将多个SiC肖特基二极管并联。在二极管单芯片面积和电流受限的情况下，这可以大幅度提高SiC肖特基二极管的容量，使它在较大容量中的应用成为可能。目前实验室报道的最大容量的SiC二极管已经达到了6500V/1000A的水平。由于SiC开关管的发展相对二极管滞后，当前更普遍的做法是将SiC 二极管和Si IGBT 和MOSFET器件封装在一个模块中以形成大功率开关组合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置中替换硅基快恢复二极管，显著提高了工作频率和整机效率。中低压SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领域上产生较大的影响。

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　　SiC肖特基二极管的发展方向是衬底减薄技术和Trench JBS结构。衬底减薄技术能够有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻，增强器件浪涌电流能力，减小器件热阻。Infineon公司于2012年9月发布第五代SiC SBD产品，首次采用衬底减薄技术。在SiC晶格里，JBS结构中离子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏条件下浅p-n结对肖特基结的屏蔽作用不是特别明显，只有在相邻p阱之间的间距较小时才能突显出来，但同时带来的正向导通沟道宽度变窄效应使得正向导通压降显著增加。为了解决这一问题，新一代SiC肖特基二极管的发展方向是Trench JBS结构。Cree公司新一代SiC肖特基二极管同时采用Trench JBS结构和衬底减薄技术，与传统的JBS二极管相比，正反向特性都得到了改善，不仅增加了电流密度（芯片面积减小50%）;也提高了阻断电压（提高 150V）和雪崩能力。

　　2. SiC JFET器件的产业化发展

　　碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点，是目前发展较快的碳化硅器件之一，并且率先实现了商业化。与MOSFET器件相比，JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制，同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。碳化硅JFET器件的门极的结型结构使得通常JFET的阈值电压大多为负，即常通型器件，这对于电力电子的应用极为不利，无法与目前通用的驱动电路兼容。美国Semisouth公司和Rutgers大学通过引入沟槽注入式或者台面沟槽结构（TI VJFET）的器件工艺，开发出常断工作状态的增强型器件。但是增强型器件往往是在牺牲一定的正向导通电阻特性的情况下形成的，因此常通型（耗尽型）JFET更容易实现更高功率密度和电流能力，而耗尽型JFET器件可以通过级联的方法实现常断型工作状态。级联的方法是通过串联一个低压的Si基 MOSFET来实现。级联后的JFET器件的驱动电路与通用的硅基器件驱动电路自然兼容。级联的结构非常适用于在高压高功率场合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驱动电路的兼容问题。

　　目前，碳化硅JFET器件以及实现一定程度的产业化，主要由Infineon和SiCED公司推出的产品为主。产品电压等级在1200V、 1700V，单管电流等级最高可以达20A，模块的电流等级可以达到100A以上。2011年，田纳西大学报到了50kW的碳化硅模块，该模块采用 1200V/25A的SiC JFET并联，反并联二极管为SiC SBD。2011年，Global Power Electronics研制了使用SiC JFET制作的高温条件下SiC三相逆变器的研究，该模块峰值功率为50kW（该模块在中等负载等级下的效率为98.5%@10kHz、10kW，比起 Si模块效率更高。2013年Rockwell 公司采用600V /5A MOS增强型JFET以及碳化硅二极管并联制作了电流等级为25A的三相电极驱动模块，并与现今较为先进的IGBT、pin二极管模块作比较：在同等功率等级下（25A/600V），面积减少到60%，该模块旨在减小通态损耗以及开关损耗以及功率回路当中的过压过流。