碳化硅功率器件市场前景！

介绍

在过去几年中，半导体行业出现了新一代高功率开关，并开始商业化。使用基于碳化硅（SiC）的器件有望显著降低开关损耗，并允许比目前使用纯硅（Si）器件更高的开关频率。

本文将简要介绍电力电子中使用的Si和SiC器件之间的差异。

碳化硅进入市场

SiC作为一种半导体材料已经开发了二十多年。三菱电机在1990年代初开始研究元素SiC技术[26]。他们的第一个使用SiC器件的商业产品于2011年中期在家用空调“Kirigamine”中使用的逆变器中推出[26]。后来，世界上第一个全碳化硅动力牵引系统安装在日本的新干线子弹头列车上，直到2015年6月25日[25]。

用于电源应用的传统硅（Si）开关基于双极器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT），第一个可用的SiC器件是单极器件，如结栅场效应晶体管（JFET）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）（后者带或不带额外的体二极管）。然而，基于SiC的IGBT和晶闸管目前正在开发中[5][27][15]。

目前，唯一可用的基于IGBT的SiC器件是所谓的与传统硅晶体管和SiC肖特基势垒二极管（SBD）的混合器件。

碳化硅的优势

SiC半导体有三个主要的物理特性，使其优于普通Si器件[23]：

更低的漏电流。电子-空穴对在SiC中的产生速度比在Si中慢得多。在给定温度下，与Si相比，这将减少开关关闭时的漏电流损耗。

增加临界击穿强度。这意味着该器件可以在同一封装中承受更高的电压，或者在相同的额定电压下可以降低封装绝缘。因此，MOSFET、JFET和SBD等器件可以在比Si大约高一个数量级的阻断电压下创建[7]。

更高的导热率允许更有效地从设备传输热量。此外，通过开关的导通电阻较低，从而降低了导通损耗。

栅极驱动技术的改进可以通过抵消寄生电感引起的开关损耗来降低这些影响，从而可以消除MOSFET应用中使用的栅极路径中的阻尼电阻[3]。这篇文章不会涉及这方面。

与SBD一样，SiC二极管也有助于降低功率转换器的损耗;它们显著降低了反向恢复电压并减少了反向电流过冲。这些特性导致换向损耗大幅降低。如图1和图2所示。

智能功率模块（IPM）是由多个晶体管和二极管组成的单元，作为一个单元提供，从而使制造商更容易设计电源转换设备。图3显示了赛米控生产的IPM，用于说明目的。由于IPM是船用电源转换行业设备制造商的首选设备类型，因此本报告将尽可能关注该类型的设备。

栅极驱动技术的改进可以通过抵消寄生电感引起的开关损耗来降低这些影响，从而可以消除MOSFET应用中使用的栅极路径中的阻尼电阻[3]。这篇文章不会涉及这方面。

与SBD一样，SiC二极管也有助于降低功率转换器的损耗;它们显著降低了反向恢复电压并减少了反向电流过冲。这些特性导致换向损耗大幅降低。如图1和图2所示。

智能功率模块（IPM）是由多个晶体管和二极管组成的单元，作为一个单元提供，从而使制造商更容易设计电源转换设备。图3显示了赛米控生产的IPM，用于说明目的。由于IPM是船用电源转换行业设备制造商的首选设备类型，因此本报告将尽可能关注该类型的设备。

SIC器件参数对比

由于基于高功率SiC的模块最近才上市，因此研究的主要重点是优化栅极驱动技术和调整电路以抵消SiC寄生元件的影响。负载侧连接设备的后果和可能的补救措施没有在同等程度上进行调查。

为了研究可用和即将推出的产品中可能存在的dV∕dt，将研究领先供应商的数据手册。将比较晶体管开关期间的上升和下降时间以及能量损耗。由于制造商不会在完全相同的条件下指定其设备的属性，因此某些结果将无法在不同制造商的设备之间直接比较。

在下面的比较中，处理了Si/SiC器件的三种主要配置;

Si，这是传统的器件，具有基于Si的IGBT晶体管和续流二极管，

Si-SiC，基于Si IGBT和SiC续流二极管。此配置也称为混合SiC设备。

SiC，基于MOSFET或JFET SiC晶体管和SiC SBD。

审核编辑：汤梓红