碳化硅在大功率电力电子器件中的应用
摘要:功率半导体器件是电力电子技术的关键元件。与传统的硅功率器件相比,碳化硅功
率器件能够承受更高的电压,具有更低的寄生参数(寄生电容、电阻和电感),更小的器件尺
寸和更短的响应时间。开关速度的提高不但可以降低系统功率损耗,而且能够允许使用更小的
变压器和电容器,大大减小了系统的整体尺寸和质量。而且,碳化硅的耐高温特性大大降低了
系统的散热设计,允许使用更小的散热片及风扇,降低散热器体积及功率损耗。因此,碳化硅
器件有望从本质上提高电力电子功率转换设备的效率和功率密度。本文对碳化硅材料特性做简
单的介绍,进而深刻了解碳化硅器件的物理和电气特性,并对碳化硅在电力电子主要功率器件
器件二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT 的电气特性和初步应用等问题进行探讨。
关键词:电力电子器件,碳化硅,二极管,MOSFET,GTO,IGBT,IGCT
引言
碳化硅(SiC)的优异特性随绿色经济的兴起而兴起。在提高电力利用效率中起关键作用的是
电力电子功率器件。如今降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。同时,借助于微电子
技术的发展,以硅器件为基础电力电子功率器件 MOSFET 及 IGBT 等的开关性能已随其结构设
计和制造工艺的完善而接近其由材料特性决定理论极限,依靠硅器件继续完善提高和电力电子
电子装置与系统性能的潜力已十分有限。
在这种情况下,碳化硅器件受到人们青睐。碳化硅器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗
辐射、具有较高的击穿电压和工作频率,适于在恶劣条件下工作。与传统的硅器件相比,日前
已实用的 SiC 器件可将功耗降低一半,由此将大大减少设备的发热量,从而可大幅度降低电力
功率变换器的体积和重量。但由于其制备工艺难度大,器件成品率低,因而价格较高,影响了
其普通应用。近几年来,实用化和商品化的碳化硅肖特基势垒功率二极管,以其优良特性证实
了半导体碳化硅在改善电力电子器件特性方面巨大的潜在优势。最近,Cree 公司报道了耐压近
2000V、电流大于 100A、工作温度高于 200℃的晶闸管
[1]
。这一报道被视为大功率碳化硅电力
电了器件发展的一个里程碑,为将来碳化硅功率器件的广泛应用奠定了基础。
一、碳化硅的特性分析
就电力电子器 件而言,硅材料并不是最理想的材料,比较理想的材料应当是,临界雪崩击
穿电场强度、载流子饱和漂移速率和热导率都比较高的宽禁带半导体材料,比较典型的有砷化
镓、碳化硅等。特别是碳化硅肖特基二极管在本世纪初投放市场并获得良好的实际应用效果后,
进一步增强了人们大力发展碳化硅电力电子器件的信心。表 l 概括了碳化硅材料的主要物理参
数。
表 1 SiC 与 Si 材料相比主要物理参数
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