碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀與在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

./碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望摘要：碳化硅作為一種寬禁帶材料,具有高擊穿場強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點,可以實現(xiàn)高壓、大功率、高頻、高溫應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件。該文對碳化硅功率半導(dǎo)體器件的最新發(fā)展進(jìn)行回顧,包括碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT,并對其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：碳化硅；功率器件；電力系統(tǒng)1引言理想的半導(dǎo)體功率器件,應(yīng)當(dāng)具有這樣的靜態(tài)和動態(tài)特性：在阻斷狀態(tài),能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài),具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時,具有短的開、關(guān)時間,能承受高的di/dt和du/dt,具有低的開關(guān)損耗,并具有全控功能。半個多世紀(jì)以來〔自20世紀(jì)50年代硅晶閘管的問世,半導(dǎo)體功率器件的研究工作者為實現(xiàn)上述理想的器件做出了不懈的努力,并已取得了世人矚目的成就。各類硅基功率半導(dǎo)體器件〔功率二極管、VDMOS、IGBT、IGCT等被成功制造和應(yīng)用,促使各種新型大功率裝置成功地應(yīng)用于各種工業(yè)電源、電機(jī)驅(qū)動、電力牽引、電能質(zhì)量控制、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電、國防和前沿科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。然而由于在電壓、功率耐量等方面的限制,這些硅基大功率器件在現(xiàn)代高性能電力電子裝置中〔要求具有變流、變頻和調(diào)相能力；快速的響應(yīng)性能~ms；利用極小的功率控制極大功率；變流器體積小、重量輕等不得不采用器件串、并聯(lián)技術(shù)和復(fù)雜的電路拓?fù)鋪磉_(dá)到實際應(yīng)用的要求,導(dǎo)致裝置的故障率和成本大大增加,制約了現(xiàn)代電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來,作為新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料——碳化硅〔SiC,因其出色的物理及電特性,正越來越受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。碳化硅功率器件的重要優(yōu)勢在于具有高壓<達(dá)數(shù)萬伏>、高溫<大于500℃>特性,突破了硅基功率器件電壓<數(shù)kV>和溫度<小于150℃>限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)步,各種碳化硅功率器件被研發(fā)出來,如碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT等,由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響,碳化硅功率器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級在600~1700V。近兩年來,隨著技術(shù)的進(jìn)步,高壓碳化硅器件已經(jīng)問世,如19.5kV的碳化硅二極管[1],10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[3-4]碳化硅IGBT等,并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅基功率器件的道路上取得進(jìn)步。這些碳化硅功率器件的成功研發(fā)帶來了半導(dǎo)體功率器件性能的飛躍提升,引發(fā)了新一輪技術(shù)革命,必將在眾多應(yīng)用領(lǐng)域,如電力系統(tǒng)中的高壓領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2碳化硅材料及功率器件進(jìn)展2.1碳化硅材料在體單晶材料方面,SiC單晶襯底已經(jīng)商品化。目前國際上已有76.2mm和101.6mm的SiC拋光襯底材料出售,具有批量生產(chǎn)能力的公司超過十家。高功率SiC器件的芯片面積很大<單胞面積>1cm>,需要大尺寸和低缺陷的襯底材料,尤其需要很低的微管缺陷密度。在這種需要的激勵之下并經(jīng)過長期的技術(shù)積累,困擾SiC單晶生長的微管缺陷控制技術(shù)也在2004年獲得突破。如日本Toyata公司采用"重復(fù)a面"<repeateda-face：RAF>生長技術(shù),實現(xiàn)了50.8mmSiC單晶的無微管生長,同時也將位錯密度降低到250/cm2以下[5]。2005年美國Intrinsic公司也獲得了零微管<ZeroMicropipe,簡稱ZMP>的SiC單晶技術(shù),并于2006年生長出無微管的76.2mmSiC襯底材料。在并購了Intrinsic公司獲得零微管技術(shù)后,Cree公司直徑101.6mm的4H-SiC導(dǎo)通襯底的微管密度最低達(dá)0.1/cm2,甚至零微管,使得用于制作面積為1cm2的功率器件能夠?qū)崿F(xiàn)90%以上的器件成品率。外延材料方面,SiC外延生長設(shè)備的規(guī)模也不斷增大,能夠同時生長多片大尺寸的SiC外延。例如瑞典Epigress公司的VP2800HW型熱壁式SiC外延生長系統(tǒng)能夠同時生長10片101.6mm高質(zhì)量SiC外延,為了把SiC功率器件抵抗電壓提高到10kV,SiC外延的厚度要達(dá)到100μm。在SiC外延研究中,一個重要指標(biāo)是外延層少子壽命。少子壽命不僅反映了深能級密度和材料缺陷密度等重要外延參數(shù),而且直接決定了高功率SiC器件的通流能力。據(jù)理論研究,20kVSiC器件中少子壽命應(yīng)在10s以上,否則通流能力很弱。目前日本NEDO公司利用垂直型外延爐實現(xiàn)了高質(zhì)量的厚達(dá)28μm的外延,在50.8mm上取得了少子壽命分布圖,其平均值為1s[6]。SiC外延技術(shù)研究的另一個重要問題是4°偏軸4H-SiC襯底上的高質(zhì)量外延生長。4°偏軸襯底憑借其成本優(yōu)勢逐漸成為大尺寸4H-SiC的主流,但與8°偏軸相比小角度偏軸襯底上外延生長的難度較高,臺階聚并<step-bunching>現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致出現(xiàn)表面形貌差、缺陷密度高以及外延材料均勻性不好等問題。美國Cree公司通過改進(jìn)生長條件和生長步驟獲得了101.6mm4°偏軸4H-SiC襯底上理想的外延生長工藝,缺陷密度只有2/cm2。這些外延材料參數(shù)可滿足SiC器件研究和批量生產(chǎn)的要求[7]。2.2碳化硅功率二極管碳化硅功率二極管有3種類型：肖特基二極管<Schottkybarrierdiode,SBD>、PIN二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管<junctionbarrierSchottky,JBS>。在5kV阻斷電壓以下的范圍,碳化硅結(jié)勢壘肖特基二極管是較好的選擇。JBS二極管結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和PIN結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點。把JBS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合PIN-肖特基結(jié)二極管<mergedPINSchottky,MPS>。由于碳化硅二極管基本工作在單極型狀態(tài)下,反向恢復(fù)電荷量基本為零,可以大幅度地減少二極管反向恢復(fù)引起的自身瞬態(tài)損耗以及相關(guān)的IGBT開通瞬態(tài)損耗,非常適用于開關(guān)頻率較高的電路。PIN結(jié)二極管在4~5kV或者以上的電壓時具有優(yōu)勢,由于其內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻,使得它比較適用于高電壓應(yīng)用場合。有文獻(xiàn)報道阻斷電壓為14.9和19.5kV的超高壓PIN二極管,其正向和反向?qū)ㄌ匦匀鐖D1所示,在電流密度為100A/cm2時,其正向壓降分別僅為4.4和6.5V[1]。這種高壓的PIN二極管在電力系統(tǒng),特別是高壓直流輸電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。2.3碳化硅MOSFET器件功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性,在硅基器件中,功率MOSFET獲得巨大成功。同樣,碳化硅MOSFE也是最受矚目的碳化硅功率開關(guān)器件,其最明顯的優(yōu)點是,驅(qū)動電路非常簡單及與現(xiàn)有的功率器件<硅功率MOSFET和IGBT>驅(qū)動電路的兼容性。碳化硅功率MOSFET面臨的兩個主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。圖1超高壓SiCPIN二極管圖210kVSiCMOSFET與SiCIGBT正向阻斷特性圖3柵氧層可靠性的改進(jìn)隨著碳化硅MOSFET技術(shù)的進(jìn)步,高性能的碳化硅MOSFET也被研發(fā)出來,已有研究結(jié)果報道了具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件。三菱公司報道的1.2kV碳化硅MOSFET器件的導(dǎo)通比電阻為5mΩ·cm2,比硅基的CoolMOS的性能指數(shù)好15~20倍。美國Cree公司報道了8.1mm×8.1mm、阻斷電壓10kV、電流20A的碳化硅MOSFET芯片,其正向阻斷特性如圖2所示。通過并聯(lián)這樣的芯片得到的模塊可以具備100A的電流傳輸能力[3]。該器件在20V的柵壓下的通態(tài)比電阻為127mΩ·cm2,同時具有較好的高溫特性,在200℃條件下,零柵壓時可以實現(xiàn)阻斷10kV電壓。在碳化硅MOSFET的可靠性研究方面,有研究報道了在350℃下碳化硅柵氧層具有良好的可靠性[8]。如圖3所示,20年以來碳化硅MOSFET柵氧層的可靠性得到明顯提高。這些研究結(jié)果表明,柵氧層將有望不再是碳化硅MOSFET的一個瓶頸。2.4碳化硅IGBT在高壓領(lǐng)域,碳化硅IGBT器件將具有明顯的優(yōu)勢。由于受到工藝技術(shù)的制約,碳化硅IGBT的起步較晚,高壓碳化硅IGBT面臨兩個挑戰(zhàn)：第一個挑戰(zhàn)與碳化硅MOSFET器件相同,溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率問題；第二個挑戰(zhàn)是N型IGBT需要P型襯底,而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。因此,1999年制成的第一個IGBT采用了P型襯底。經(jīng)過多年的研發(fā),逐步克服了P型襯底的電阻問題,2008年報道了13kV的N溝道碳化硅IGBT器件,比導(dǎo)通電阻達(dá)到22mΩ·cm2[3]。圖4對15kV的N-IGBT和MOSFET的正向?qū)芰ψ隽艘粋€比較[4],結(jié)果顯示,在結(jié)溫為300K時,在芯片功耗密度為200W/cm2以下的條件下,MOSFET可以獲得更大的電流密度,而在更高的功耗密度條件下,IGBT可以獲得更大的電流密度。但是在結(jié)溫為127℃時,IGBT在功耗密度為50W/cm2以上的條件下就能夠?qū)ū萂OSFET更高的電流密度。同一年,該團(tuán)隊還報道了阻斷電壓達(dá)到12kV的P溝道碳化硅IGBT,導(dǎo)通比電阻達(dá)到14mΩ·cm2[8]。新型高溫高壓碳化硅IGBT器件將對大功率應(yīng)用,特別是電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重大的影響。在15kV以上的應(yīng)用領(lǐng)域,碳化硅IGBT綜合了功耗低和開關(guān)速度快的特點,相對于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢,特別適用于高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。3碳化硅功率器件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望3.1固態(tài)變壓器隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)技術(shù)以及可再生能源的發(fā)展,固態(tài)變壓器作為其中的關(guān)鍵技術(shù)受到廣泛關(guān)注。固態(tài)變壓器是一種以電力電子技術(shù)為核心的變電裝置,它通過電力電子變流器和高頻變壓器實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞及控制,以取代電力系統(tǒng)中的傳統(tǒng)的工頻變壓器。與傳統(tǒng)變壓器相比,具有體積小、重量輕等優(yōu)點,同時具有傳統(tǒng)變壓器所不具備的諸多優(yōu)點,包括供電質(zhì)量高、功率因數(shù)高、自動限流、具備無功補(bǔ)償能力、頻率變換、輸出相數(shù)變換以及便于自動監(jiān)控等優(yōu)點。固態(tài)變壓器的輸入側(cè)電壓等級非常高,一般在數(shù)千至數(shù)萬伏,目前多采用拓?fù)浠蚱骷?lián)的方式,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖5所示為10kVA的固態(tài)變壓器示意圖[9]。新興的碳化硅電力電子器件,特別是15kV以上碳化硅MOSFET、IGBT的出現(xiàn),將有利于固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)簡化及可靠性提升。圖415kVSiCIGBT和MOSFET導(dǎo)通特性對比圖510kVA的固態(tài)變壓器示意圖3.2柔性交流輸電系統(tǒng)柔性交流輸電系統(tǒng)〔FACTS是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合,以實現(xiàn)對交流輸電系統(tǒng)電壓、相位角、品質(zhì)、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制,從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平,降低輸電損耗。FACTS技術(shù)主要采用晶閘管、GTO、IGBT等器件,由于硅器件自身物理限制,致使更高電壓等級或者更高功率等級的FACTS控制器在實際應(yīng)用中受到制約。碳化硅功率器件固有的高耐壓特性,隨著其器件水平的不斷發(fā)展,在FACTS技術(shù)中必然越來越受到重視。3.3直流輸電技術(shù)輕型直流輸電技術(shù)是在高壓直流輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù),其特點是直流輸電兩端變流器采用可關(guān)斷器件構(gòu)成電壓源逆變器,不存在換相失敗、受端系統(tǒng)必須提供無功容量的問題,而且可以省去換流變壓器,簡化換流站結(jié)構(gòu)。受制于可關(guān)斷硅器件水平的制約,其輸電容量通常較小。圖6是輕型直流輸電中圖6由IGBT構(gòu)成的電壓源型換流器單相圖由IGBT構(gòu)成的電壓源型換流器[10],利用脈寬調(diào)制<pulsewidthmodulation,PWM>技術(shù)進(jìn)行無源逆變,不但可以向無交流電源的負(fù)荷點送電,在特殊情況下也可以提供無功功率。隨著碳化硅MOSFET/IGBT等器件性能、電壓等級和功率等級的提高,碳化硅電力電子器件在輕型直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用,有望進(jìn)一步提高其輸電容量及適用電壓等級,為輕型直流輸電的應(yīng)用拓展帶來新的機(jī)遇。4總結(jié)在當(dāng)前節(jié)能減排的重大國際發(fā)展趨勢下,對于碳化硅功率器件而言,其優(yōu)勢明顯?？梢灶A(yù)見,新型高壓大容量碳化硅功率器件將在高壓電力系統(tǒng)中開辟出全新的應(yīng)用,對電力系統(tǒng)的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的重大影響。參考文獻(xiàn)：[1]SugawaraY,TakayamaD,AsanoK,etal．12~19kV4H-SiCpindiodeswithlowpowerloss[C]//Proceedingsofthe13thInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevicesandIcs．Osaka,Japan：IEEE,2001：27-30．[2]CallananR,CapellDC,HullB,etal．StateoftheArt10kVNMOSTransistors[C]//Proceedingsofthe20thInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&IC's．Oralando,USA,2008：253-255．[3]AkiraS,HajimeO,TsunenobuK,etal．A13kV4H-SiCn-ChannelIGBTwithlowRdiff,onandfastswitching[J]MaterialsScienceForum,2009,600<1>：1183-1186．[4]WangJ,HuangQA,BaligaBJ．Designandinvestigationoffrequencycapabilityof15kV4H-SiCIGBT[C]//Proceedingsofthe21stInternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&IC's．Barcelona,Spain,2009：271-274．[5]NakamuraD,KimotoD,MatsunamiH,eta1.Ultra-high-qualitysiliconcarbidesinglecrystals[J].Nature,2004,430,1009-1012.[6]Ito