SiC電力電子器件的發展及其應用概述

黃 帥

（貴州銅仁學院物理與電子工程學院，貴州銅仁，554300）

電力電子技術的誕生是以晶閘管的出現為標志的，截至目前，電力電子器件的發展已經經歷60多年的發展，歷史表明每一次電力電子功率器件的革新都會引發工業界的一場技術革命。在上個世紀90年代開始以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料及其功率半導體器件開始得到了快速發展。SiC與Si材料相比，具有3倍以上的禁帶寬度，3倍以上的熱導率且其結溫達250℃，10倍以上的擊穿電壓和2倍以上的載流子飽和速度[1]，具有很強的環境適應能力，被認為是適合于在-75－550℃范圍內工作的高功率器件的材料[2]。經過20多年的快速發展，SiC材料理論及其生產制造工藝都得到了不斷發展和完善。基于SiC的各種功率器件被開發出來[3-7]。而SiC基的JBS（Junction Barrier Schottky）二極管和額定電壓為600-1700V功率開關器 件，如 MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）, JEFT(Junction Field Effect Transistor）,BJT(Bipolar junction Transistor）等，都也已經得到商品化[8,9]。基于商品化的SiC基的功率半導體器件的電力模塊也得到了廣泛的開發和研究。

電力電子器件的損耗既是整個電力電子裝置損耗的主要組成部分，又對整體系統的效率和成本有著很大的影響。電子電子器件的損耗主要包括導通耗損和開關耗損兩個部分，前者主要是由電力電子器件的通態電阻決定的，后者則主要是由驅動回路和器件本身的電感、電容等參數決定。SiC基的電力電子器件由于其垂直有源層比Si基器件薄很多，因而其導通電阻很低，因此導通損耗比較低。相對于Si基器件而言，SiC基的電力電子器件的損耗優勢在于其非常低的開關損耗。本文將從開關損耗的角度，對SiC基的JBS二極管、JEFTs、BJTs和MOSFETs的特性和應用作簡要概述。

1 SiC基JBS 二極管的特性和應用

SiC基JBS 二極管的剖面結構如1所示，其陽極（Anode）可以采用Ti作為肖特基金屬，陰極（Cathode）則可以采用硅化的Ni。JBS 二極管是實用化程度最高的SiC基電力電子器件。但由于是一種不可控的電力電子器件，二極管在電力電子模塊中主要是和其他的開關器件作反并聯使用。與Si基耐高壓的PIN二極管相比而言，SiC基JBS 二極管是一種多子器件，工作時在結處不存在少數載流子的積累，因此在電子開關關斷的過程中就沒有反向恢復電流，可以減小關斷損耗，同時在開通過程中也能減小與之并聯的開關器件的損耗。W.Erdman等人在2.3MW中壓三級風能變換器的應用設計中，采用SiC基JBS二極管模塊取代4.5-kV的Si基PIN二極管，而功率開關器件仍采用Si基IGBT，使變換器的開關損耗減小了10kW數量級[10]。而當SiC基JBS二極管和其它的SiC基電力電子器件一起使用時，將獲得更大的開關損耗降低。

現有SiC基電力電子器件都是基于4H-SiC制造的，但其制備溫度高，成本大，難以獲得大尺寸的基片，使SiC基電力電子器件在中低壓范圍內相對于Si基IGBT和PID二極管而言，并無明顯優勢。因此，F.Li等人也研究了基于3C-SiC材料橫向結構的二極管[11]。

2 SiC基MOSFET的特性和應用

眾所周知，MOSFET是一種單極性器件，特別適合于工作在高頻率開關變換系統中。當前電力電子變化系統中應用最為廣泛的Si基IGBT器件的開關頻率只有10-20kHz，因為隨著開關頻率的進一步增加，其開關損耗會急劇增加。SiC 基的MOSFET由于沒有拖尾電流和更低的開關損耗，使其可工作在比Si基IGBT更高的頻率范圍內，可達幾百kHz。

SiC基MOSFET的一種典型的剖面結構如圖2所示[12]，其制備過程中的關鍵因素是對JD區域的摻雜控制和柵極氧化物絕緣層與4H-SiC表面之間的處理。JD的區域的摻雜控制不僅影響整個器件的導通電阻，而且對導通電阻的溫度系數也有非常大的影響，進而對器件的損耗特性產生影響。柵極氧化物絕緣層與4H-SiC表面之間的處理則關系到MOSFET器件的成敗[1,13]。在氧化物絕緣層與4H-SiC表面很難獲得完美的表面，通常在4H-SiC表面存在較大的界面態密度，這些界面態會俘獲表面導電溝道內的載流子，限制了表面載流子的遷移率，使得導通電阻非常大，進而限制了MOSFET器件的實際應用。目前，常用的表面處理方法為在Al2O3和4H-SiC之間增加一薄層SiO2，使界面性能得到較好的改進，也使得SiC 基MOSFET得以商業化。

基于SiC基MOSFET的電力電子變換系統也得到了深入地研究，與基于Si基IGBT的變換系統相比，在100-200kHz的高頻范圍內，獲得了50%以上的開關損耗降低[14,15]。盡管如此，SiC基MOSFET的高頻開關過程會出現較大的電壓或電流過沖，或者產生高頻振蕩，從而給器件較大的電應力，或者產生EMI（Electric Magnetic Interference）問題。且與Si器件相比，由于其具有較高的di/dt、dV/dt能力，SiC基MOSFET開關特性更敏感的依賴于其寄生參數。柵極驅動最大電流、柵極電阻、開關回路的雜散電感以及共源電感都會影響到SiC基MOSFET的高頻開關特性。為此，圍繞SiC基MOSFET的高頻驅動問題，也有很多研究工作得到了開展[16-18]。

圖2 SiC基MOSFET的剖面結構

隨著SiC基MOSFET制備技術的改進和驅動問題的解決，其將在電力電子的高頻開關領域得到廣泛地應用。

3 SiC基JFET的特性和應用

SiC基JFET也是一種耐高壓的單極性器件，導通電阻低，具有比Si基IGBT更高的工作頻率。其器件結構較SiC基MOSFET簡單，制備工藝更為完備，是目前SiC基器件中得到最為廣泛應用的全控器件。它也是電壓控制型器件，有常開和常閉兩種基本類型。

目前SiC基JFET在應用中存在以下問題：1）由于4H-SiC材料制備需要經過達2000℃的高溫處理，其單片尺寸只能做到6英寸[11]，因此單片4H-SiC制成的JFET功率負荷有限，在大功率電力電子變化系統中就需要將多個分離的JFET器件并聯使用，各個器件的參數很難匹配，這會引起并聯驅動的問題[19,20]；2）由于SiC基JFET的導通電阻是通過減小有源層厚度獲得的，因此其寄生參數都較大，并會對開關特性產生影響，這對于其高頻驅動同樣會帶來問題；3）對于常閉型JFET，若要獲得較低的開通電阻，柵極需要較大的驅動電流，這會增加其損耗。

4 SiC基BJT的特性和應用

SiC基BJT是一種雙極型器件，最大的特點在于其導通電阻低，能達到2.3mΩ·cm2，是現有SiC基電力電子器件中最低的。但其是電流驅動型器件，開通時需要持續給基極提供電流，從而使其損耗較大。同樣由于受到材料芯片尺寸的限制，也存在多個分離器件并聯的驅動問題[21]。

5 結語

通過上述分析，可以發現，SiC電力電子器件雖已有商業化的器件供應，但受限于大尺寸4H-SiC芯片的制備，其單個的器件很難做到足夠大的額定功率。在實際高電壓、高功率和高頻率的電力電子變換系統中的應用，都需要將多個分離的SiC基分離器件并聯使用，這就使得在并聯驅動方面或多或少的都存在一些問題。隨著材料制備技術的完善和器件驅動技術改進，SiC電力電子器件將會得到更為廣泛地應用。

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