新型电力电子器件—碳化硅.ppt

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1、新型电力电子器件碳化硅器件一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和du/dt，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了80年代中期，4.5kV的可关断晶闸管(GTO)得到广泛应用，并

2、成为在接下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的阻断电压达到3.3kV之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管(IGCT)的问世，它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在1~3kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70MW/9000V的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电

3、子器件的水平基本上稳定在10-10W·Hz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限。由于传统的硅基电力电子器件已经逼近了因寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是采用各种新的器件结构；二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)器件。SiC是IV-IV族二元化合物半导体材料,也是元素周期表中IV族元素中唯一的一种固态碳化物。SiC由碳原子和硅原子组成,但其晶体结构具有同质多型体的特点。在半导体领域最常用的是4H-SiC和6H-SiC

4、两种,SiC与其它半导体材料具有相似的特性,4H-SiC的饱和电子漂移速度是Si的两倍,从而为SiC器件提供了较高的电流密度和较高的跨导。高击穿特性使SiC功率器件和开关器件具有较Si和GaAs器件高3一4倍的击穿电压,高的热导率和耐高温特性保证了SiC器件具有较高的功率密度及高温工作的可靠性。碳化硅性质Johnson优良指数(JFM)表示器件高功率、高频率性能的基本限制KFM表示基于体管开关速度的优良指数质量因子1(QF1)表示电力电子器件中有源器件面积和散热材料的优良指数QF2则表示理想散热器下的优良指数QF

5、3表示对散热器及其几何形态不加任何假设状况下的优良指数Baliga优良指数BHFM表示器件高频应用时的优良指数。碳化硅功率二极管碳化硅MOSFET器件碳化硅IGBT碳化硅晶闸管碳化硅电力电子器件碳化硅功率二极管碳化硅功率二极管有3种类型：肖特基二极管(SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。在5kV阻断电压以下的范围，碳化硅结势垒肖特基二极管是较好的选择。JBS二极管结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。把JBS二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成

6、混合PiN-肖特基结二极管(MPS)。由于碳化硅二极管基本工作在单极型状态下，反向恢复电荷量基本为零，可以大幅度地减少二极管反向恢复引起的自身瞬态损耗以及相关的IGBT开通瞬态损耗，非常适用于开关频率较高的电路。PiN结二极管在4~5kV或者以上的电压时具有优势，由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻，使得它比较适用于高电压应用场合。有文献报道阻断电压为14.9和19.5kV的超高压PiN二极管，其正向和反向导通特性如图2所示，在电流密度为100A/cm2时，其正向压降分别仅为4.4和6.5V。这种高压的

7、PiN二极管在电力系统，特别是高压直流输电领域具有潜在的应用价值。碳化硅MOSFET器件功率MOSFET具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性，在硅基器件中，功率MOSFET获得巨大成功。同样，碳化硅MOSFE也是最受瞩目的碳化硅功率开关器件，其最明显的优点是，驱动电路非常简单及与现有的功率器件(硅功率MOSFET和IGBT)驱动电路的兼容性。碳化硅功率MOSFET面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。随着碳化硅MOSFET技术的进步，高性能的碳化硅MOSFET也被研发出

8、来，已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件。三菱公司报道的1.2kV碳化硅MOSFET器件的导通比电阻为5mΩ·cm2，比硅基的CoolMOS的性能指数好15~20倍。美国Cree公司报道了8.1mm*8.1mm、阻断电压10kV、电流20A的碳化硅MOSFET芯片，其正向阻断特性如图3所示。通过并联这样的芯片得到的模块可以具备100A的电流传输