简述碳化硅SIC器件在工业应用中的重要作用

日期:2022-11-23 阅读:222
核心提示:电力电子转换器在快速发展的工业格局中发挥着至关重要的作用。它们的应用正在增加,并且在众多新技术中发挥着核心作用,包括电动

电力电子转换器在快速发展的工业格局中发挥着至关重要的作用。它们的应用正在增加,并且在众多新技术中发挥着核心作用,包括电动汽车、牵引系统、太空探索任务、深层石油开采系统、飞机系统等领域的进步。

电力电子电路不断发展以实现更高的效率,绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)等电力电子设备为令人兴奋的创新打开了大门。硅(Si)基功率器件长期以来一直主导着市场,但由于较低的带隙和电击穿场,其性能已达到极限。因此,开关频率、阻断电压和工作温度存在限制。

随着采用宽带隙(WBG)材料设计的革命性新器件的引入,可以克服这些限制。碳化硅(SiC)是一种宽带隙材料,已经上市约二十年。SiC的固有载流子密度要小得多,允许高温操作。此外,SiC的非常高的临界电场使我们能够设计额定值大于10 kV的设备。SiC器件的另一个理想特性是高开关速度和低寄生电容。这是因为较小的理想比传导电阻允许SiC芯片小于Si器件。

SiC功率器件最重要的优势之一可能是它们能够在更高的温度下工作。例如,目前正在设计电动飞机,因此动力电子转换器和电动执行器系统将需要在热发动机附近承受高温。同样,电动汽车的温度也可能在很宽的范围内变化。功率器件在恶劣环境中工作的能力对于许多新兴工业应用至关重要。幸运的是,与硅器件相比,第三代半导体材料氮化镓(GaN)和SiC功率器件表现出越来越优越的特性。从理论上讲,SiC器件的WBG是硅的三倍,因此可以实现约600°C的结温。

以下是对有前途的碳化硅功率器件的简要介绍。

二极管

碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)是2001年上市的第一款商用碳化硅功率器件。SBD是SiC材料和肖特基二极管结构的组合,是Si PIN二极管的完美替代品。SBD优于Si PIN二极管的最重要特性是其快速反向恢复特性。它不仅有望提高效率,而且由于反向恢复电流低,二极管关断期间的转换器振荡和电磁干扰(EMI)问题也减少了。

该二极管的另一个变体是SiC结势垒肖特基二极管(JBS)。大多数商业化的SiC二极管都基于JBS结构,其中几个P+区域组合成肖特基区域。因此,很大一部分电场被推离肖特基势垒,向P+区的下部区域推进。通过这种方式,可以降低关断状态漏电流,并且不会影响JBS二极管的速度。另一种类型的SiC二极管是SiC PIN二极管,非常适合在10 kV至20 kV范围内工作,因为电导率调制可有效降低漂移区域电阻。

碳化硅开关

在许多工业应用中,功率半导体器件的阻断电压要求约为1.2至3.3 kV。碳化硅MOSFET属于这一类。与Si IGBT相比,SiC MOSFET中的多数载流子导通机制可显著降低开关损耗。碳化硅MOSFET在结构上可分为两种类型:规划器和沟槽。双植入金属氧化物场效应晶体管(DIMOSFET)是规划器SiC MOSFET的一个例子。

除了提高电气性能外,可靠性是SiC MOSFET创新背后的另一个驱动力。此外,在航空航天应用和核电站中,所使用的功率器件必须能够承受辐射。碳化硅MOSFET已被证明在这些环境中工作良好。SiC结场效应晶体管(JFETS)自2006年以来已上市。

碳化硅BJT非常可靠,非常适合高温环境。然而,缺点是驱动电流需要恒定稳定,随着温度的升高,电流增益减小,驱动损耗增加。对于10 kV及更高电压,SiC IGBT非常合适。

结语

SiC功率器件所展示的卓越动态特性为以前不切实际的电路铺平了道路。与传统的硅功率半导体器件相比,SiC电力电子器件具有许多优点,包括提高转换器效率,减少体积和重量以及更简单的散热组件。

但是,大规模采用SiC功率转换器仍然具有挑战性。SiC技术在电气系统中的应用需要详细了解系统架构,包括EMI和热问题。另一个因素是SiC器件的成本相对较高。然而,基于SiC的转换器可以彻底改变新兴的工业系统和技术,如太阳能逆变器,电动汽车,感应加热器和牵引系统等。这些设备的未来是有希望的。

(来源:国晶微半导体)

 

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