2022年碳化硅電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀分析

年碳化硅電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀分析在過去的十五到二十年中，碳化硅電力電子器件領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，所研發(fā)的碳化硅器件的性能指標遠超當(dāng)前硅基器件，并且勝利實現(xiàn)了部分碳化硅器件的產(chǎn)業(yè)化，在一些重要的能源領(lǐng)域開頭逐步取代硅基電力電子器件，并初步呈現(xiàn)出其巨大的潛力。碳化硅電力電子器件的持續(xù)進步將對電力電子技術(shù)領(lǐng)域的進展起到革命性的推動作用。隨著SiC單晶和外延材料技術(shù)的進步，各種類型的SiC器件被開發(fā)出來。SiC器件主要包括二極管和開關(guān)管。SiC二極管主要包括肖特基勢壘二極管及其新型結(jié)構(gòu)和PiN型二極管。SiC開關(guān)管的種類較多，具有代表性的開關(guān)管有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)開關(guān)管（MOSFET）、結(jié)型場效應(yīng)開關(guān)管（JFET）、絕緣柵雙極開關(guān)管（IGBT）三種。

1.SiC二極管實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化

SiC電力電子器件中，SiC二極管最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2022年德國Infineon公司領(lǐng)先推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。許多企業(yè)在開發(fā)肖特基勢壘二極管（SBD）和JBS結(jié)構(gòu)二極管。目前，SiC二極管已經(jīng)存在600V~1700V電壓等級和50A電流等級的產(chǎn)品。

SiC肖特基二極管能供應(yīng)近乎抱負的動態(tài)性能。做為單子器件，它的工作過程中沒有電荷儲存，因此它的反向恢復(fù)電流僅由它的耗盡層結(jié)電容造成，其反向恢復(fù)電荷以及其反向恢復(fù)損耗比Si超快恢復(fù)二極管要低一到兩個數(shù)量級。更重要的是，和它匹配的開關(guān)管的開通損耗也可以得到大幅度削減，因此提高電路的開關(guān)頻率。另外，它幾乎沒有正向恢復(fù)電壓，因而能夠馬上導(dǎo)通，不存在雙極型器件的開通延時現(xiàn)象。在常溫下，其正態(tài)導(dǎo)通壓降和Si超快恢復(fù)器件基本相同，但是由于SiC肖特基二極管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，這將有利于將多個SiC肖特基二極管并聯(lián)。在二極管單芯片面積和電流受限的狀況下，這可以大幅度提高SiC肖特基二極管的容量，使它在較大容量中的應(yīng)用成為可能。目前試驗室報道的最大容量的SiC二極管已經(jīng)達到了6500V/1000A的水平。由于SiC開關(guān)管的進展相對二極管滯后，當(dāng)前更普遍的做法是將SiC二極管和SiIGBT和MOSFET器件封裝在一個模塊中以形成大功率開關(guān)組合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復(fù)二極管，顯著提高了工作頻率和整機效率。中低壓SiC肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開關(guān)電源、光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域上產(chǎn)生較大的影響。

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SiC肖特基二極管的進展方向是襯底減薄技術(shù)和TrenchJBS結(jié)構(gòu)。襯底減薄技術(shù)能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極管的導(dǎo)通電阻，增加器件浪涌電流力量，減小器件熱阻。Infineon公司于2022年9月發(fā)布第五代SiCSBD產(chǎn)品，首次采納襯底減薄技術(shù)。在SiC晶格里，JBS結(jié)構(gòu)中離子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏條件下淺p-n結(jié)對肖特基結(jié)的屏蔽作用不是特殊明顯，只有在相鄰p阱之間的間距較小時才能突顯出來，但同時帶來的正向?qū)系缹挾茸冋?yīng)使得正向?qū)▔航碉@著增加。為了解決這一問題，新一代SiC肖特基二極管的進展方向是TrenchJBS結(jié)構(gòu)。Cree公司新一代SiC肖特基二極管同時采納TrenchJBS結(jié)構(gòu)和襯底減薄技術(shù)，與傳統(tǒng)的JBS二極管相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（芯片面積減小50%）;也提高了阻斷電壓（提高150V）和雪崩力量。

2.SiCJFET器件的產(chǎn)業(yè)化進展

碳化硅JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點，是目前進展較快的碳化硅器件之一，并且領(lǐng)先實現(xiàn)了商業(yè)化。與MOSFET器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的牢靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作力量。另外，JFET器件具有更佳的高溫工作穩(wěn)定性和牢靠性。碳化硅JFET器件的門極的結(jié)型結(jié)構(gòu)使得通常JFET的閾值電壓大多為負，即常通型器件，這對于電力電子的應(yīng)用極為不利，無法與目前通用的驅(qū)動電路兼容。美國Semisouth公司和Rutgers高校通過引入溝槽注入式或者臺面溝槽結(jié)構(gòu)（TIVJFET）的器件工藝，開發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增加型器件。但是增加型器件往往是在犧牲肯定的正向?qū)娮杼匦缘臓顩r下形成的，因此常通型（耗盡型）JFET更簡單實現(xiàn)更高功率密度和電流力量，而耗盡型JFET器件可以通過級聯(lián)的方法實現(xiàn)常斷型工作狀態(tài)。級聯(lián)的方法是通過串聯(lián)一個低壓的Si基MOSFET來實現(xiàn)。級聯(lián)后的JFET器件的驅(qū)動電路與通用的硅基器件驅(qū)動電路自然兼容。級聯(lián)的結(jié)構(gòu)特別適用于在高壓高功率場合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驅(qū)動電路的兼容問題。

目前，碳化硅JFET器件以及實現(xiàn)肯定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要由Infineon和SiCED公司推出的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品電壓等級在1200V、1700V，單管電流等級最高可以達20A，模塊的電流等級可以達到100A以上。2022年，田納西高校報到了50kW的碳化硅模塊，該模塊采納1200V/25A的SiCJFET并聯(lián)，反并聯(lián)二極管為SiCSBD。2022年，GlobalPowerElectronics研制了使用SiCJFET制作的高溫條件下SiC三相逆變器的討論，該模塊峰值功率為50kW（該模塊在中等負載等級下的效率為98.5%@10kHz、10kW，比起Si模塊效率更高。2022年Rockwell公司采納600V/5AMOS