碳化硅功率器件市場前景！

介紹

在過去幾年中，半導體行業出現了新一代高功率開關，并開始商業化。使用基于碳化硅（SiC）的器件有望顯著降低開關損耗，并允許比目前使用純硅（Si）器件更高的開關頻率。

本文將簡要介紹電力電子中使用的Si和SiC器件之間的差異。

碳化硅進入市場

SiC作為一種半導體材料已經開發了二十多年。三菱電機在1990年代初開始研究元素SiC技術[26]。他們的第一個使用SiC器件的商業產品于2011年中期在家用空調“Kirigamine”中使用的逆變器中推出[26]。后來，世界上第一個全碳化硅動力牽引系統安裝在日本的新干線子彈頭列車上，直到2015年6月25日[25]。

用于電源應用的傳統硅（Si）開關基于雙極器件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT），第一個可用的SiC器件是單極器件，如結柵場效應晶體管（JFET）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）（后者帶或不帶額外的體二極管）。然而，基于SiC的IGBT和晶閘管目前正在開發中[5][27][15]。

目前，唯一可用的基于IGBT的SiC器件是所謂的與傳統硅晶體管和SiC肖特基勢壘二極管（SBD）的混合器件。

碳化硅的優勢

SiC半導體有三個主要的物理特性，使其優于普通Si器件[23]：

更低的漏電流。電子-空穴對在SiC中的產生速度比在Si中慢得多。在給定溫度下，與Si相比，這將減少開關關閉時的漏電流損耗。

增加臨界擊穿強度。這意味著該器件可以在同一封裝中承受更高的電壓，或者在相同的額定電壓下可以降低封裝絕緣。因此，MOSFET、JFET和SBD等器件可以在比Si大約高一個數量級的阻斷電壓下創建[7]。

更高的導熱率允許更有效地從設備傳輸熱量。此外，通過開關的導通電阻較低，從而降低了導通損耗。

柵極驅動技術的改進可以通過抵消寄生電感引起的開關損耗來降低這些影響，從而可以消除MOSFET應用中使用的柵極路徑中的阻尼電阻[3]。這篇文章不會涉及這方面。

與SBD一樣，SiC二極管也有助于降低功率轉換器的損耗;它們顯著降低了反向恢復電壓并減少了反向電流過沖。這些特性導致換向損耗大幅降低。如圖1和圖2所示。

智能功率模塊（IPM）是由多個晶體管和二極管組成的單元，作為一個單元提供，從而使制造商更容易設計電源轉換設備。圖3顯示了賽米控生產的IPM，用于說明目的。由于IPM是船用電源轉換行業設備制造商的首選設備類型，因此本報告將盡可能關注該類型的設備。

柵極驅動技術的改進可以通過抵消寄生電感引起的開關損耗來降低這些影響，從而可以消除MOSFET應用中使用的柵極路徑中的阻尼電阻[3]。這篇文章不會涉及這方面。

與SBD一樣，SiC二極管也有助于降低功率轉換器的損耗;它們顯著降低了反向恢復電壓并減少了反向電流過沖。這些特性導致換向損耗大幅降低。如圖1和圖2所示。

智能功率模塊（IPM）是由多個晶體管和二極管組成的單元，作為一個單元提供，從而使制造商更容易設計電源轉換設備。圖3顯示了賽米控生產的IPM，用于說明目的。由于IPM是船用電源轉換行業設備制造商的首選設備類型，因此本報告將盡可能關注該類型的設備。

SIC器件參數對比

由于基于高功率SiC的模塊最近才上市，因此研究的主要重點是優化柵極驅動技術和調整電路以抵消SiC寄生元件的影響。負載側連接設備的后果和可能的補救措施沒有在同等程度上進行調查。

為了研究可用和即將推出的產品中可能存在的dV∕dt，將研究領先供應商的數據手冊。將比較晶體管開關期間的上升和下降時間以及能量損耗。由于制造商不會在完全相同的條件下指定其設備的屬性，因此某些結果將無法在不同制造商的設備之間直接比較。

在下面的比較中，處理了Si/SiC器件的三種主要配置;

Si，這是傳統的器件，具有基于Si的IGBT晶體管和續流二極管，

Si-SiC，基于Si IGBT和SiC續流二極管。此配置也稱為混合SiC設備。

SiC，基于MOSFET或JFET SiC晶體管和SiC SBD。

審核編輯：湯梓紅

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