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1、SiC电力电子器件在牵引领域应用展望网络转载导语：SiC电力电子器件在牵引领域的应用现状，介绍了SiCSBD、SiCMOSFET、SiCJFET及SiCIGBT的上风及特点，论证了SiC电力电子器件在牵引领域应用面对的挑战。SiC电力电子器件在牵引领域应用展望西安永电电气有限责任公司摘要：宽禁带半导体SiC是最有开展前途的电力电子材料，知足牵引变流器轻量化、小型化、高效化的开展趋势。本文阐述了SiC电力电子器件在牵引领域的应用现状，介绍了SiCSBD、SiCMOSFET、SiCJFET及SiCIGBT的上风及特点，论证了SiC电力电子器件在牵引领域应用面对的挑战。1引言电牵引技术的不断开展要求
2、电力电子器件具有更高的功率密度、更高的工作温度、更小的功率损耗、更快的开关速度。以硅Silicon-Si材料为根底的电力电子器件因大功率场效应晶体管功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT等新型电力电子器件的应用而日趋成熟。随着器件构造设计及制造工艺的完善，当前器件的性能已经接近Si材料的理论极限。目前，以碳化硅SiC为代表的第三代宽禁带半导体电力电子器件已经实现商品化，在牵引领域表现出宏大的潜力。SiC材料较大的禁带宽度3.26eV使其相比于Si材料1.12eV具有很大的上风：本征载流子浓度低20个数目级，临界击穿电场高10倍，热导率高3倍，电子饱和漂移速率高1倍等。这些特性使得SiC电力
3、电子器件在高温、高频及阻断电压等方面打破Si材料的极限。目前，SiC电力电子器件已经在600V-1700V中低压领域实现了产业化，Cree、Rohm、Infineon等公司可批量供给最大电流50A的SiCSBD及MOSFET产品，其应用已显著进步系统工作频率及整机效率。高压SiC器件早在2003年度已有报道，然而受晶体质量及相关工艺限制，其产业正在开展中。机车牵引、高压直流输变电等领域目前正小批量试用高压SiC器件，系统性能提升明显。我国高铁建立目前已拥有世界领先程度，但牵引用SiC电力电子器件及应用尚处于初期阶段。2021年度开场，中国中车永济电机及株洲时代电气开场进展SiC器件封装及应用研
4、究，祈望通过应用推动整个SiC电力电子产业链的开展，追赶国外先进技术的脚步。2SiC电力电子器件SiC器件在高阻断电压下仍然有很小的导通电阻，因此SiC器件的研究开场集中在肖特基势垒二极管SBD、MOSFET等少数载流子器件上。2.1SiCSBDSiCSBD为单极性器件，没有少数载流子的注入及自由电荷的存储，具有几乎理想的反向恢复特性，合适在高压、高频及高温条件下工作。由于高压下SiC肖特基势垒比Si薄，进一步进步SiCSBD的反向电压会受到隧穿势垒引起的反向漏电流限制。为了充分发挥SiC临界击穿电场高的上风，通常采用JBS、MPS等构造降低肖特基接触处电场强度，获得了较好的器件特性。SiCS
5、BD是开展最为成熟的SiC电力电子器件，适用于600V-3300V阻断电压范围。Cree、Rohm、Microsemi、Infineon等公司SiCSBD已经应用于变频或逆变装置中交换Si基快恢复二极管，显著进步了工作频率和整机效率。然而由于SiC开关器件开展的相对滞后，因此目前在牵引、工业变频等领域的普遍做法是将SiCSBD和SiIGBT芯片封装在一起以形成大功率开关器件，以降低器件开关损耗。2.2SiCMOSFETSiC是唯一具有热氧化层的宽禁带半导体材料，因此可以直接借鉴Si基MOSFET的设计、制造经历和消费设备。同时，SiCMOSFET与现有Si基MOSFET、IGBT驱动电路兼容，
6、因此SiCMOSFET是开展最快的开关器件。SiCMOSFET早期开展存在一些问题，如沟道迁移率低和栅氧化层可靠性问题。目前，迁移率问题通过埋沟、高温气氛氧化等设计、工艺技术得到根本解决。可靠性方面，350C下栅氧化层照旧具有良好的可靠性，目前已经不是限制SiCMOSFET开展的瓶颈。2021年度，日本Rohm公司通过优化工艺条件及器件构造，改善了晶体质量，首次实现了SiCSBD与SiCMOSFET一体化封装，解决了1200V级别逆变器中使用SiIGBT及FRD快恢复二极管而导致功率转换损耗较大的问题。该产品在降低器件工作损耗70%以上的同时还实现了100kHz以上更高的工作频率，推动了外围部
7、件小型化的开展。预计在今后5-10年度时间，SiCMOSFET将替换SiIGBT成为主流电力电子开关器件。2.3SiCJFET由于SiCMOSFET构造存在的不完美特性，使得同样为单级性开关器件的SiCJFET结型场效应晶体管受到了重视，并与SBD、MOSFET率先实现了贸易化。SiCJFET还具有阈值电压随温度稳定性好、高温可靠性高等优点，是目前开展较快的SiC开关器件。然而栅极P-N结工作方式的特点对器件应用也带来了很多不利的影响，如常通型、高米勒电容MillerCapacitor效应、高负栅关断电压等问题。这使得SiCJFET不能直接替换SiMOSFET及IGBT，使用时需要对驱动电路作
8、出相应的调整，以保证器件平安可靠的工作。目前，SiCJFET器件已经实现一定程度的产业化，主要以Infineon、SiCED及Semisouth公司的产品为主。产品电压等级在600V、1200V、1700V，单管电流最高达20A，模块电流等级到达100A以上。2021年度，Rockwell公司采用600V/5ASiC增强型JFET和SiCSBD并联制作了25A三相电机驱动模块，与当时先进的SiIGBT模块相比拟，同等功率下芯片面积减少40%，同时损耗及开关过电压、过电流问题降低明显。2.4SiCIGBT受P型衬底电阻率高、沟道迁移率低及栅氧化层可靠性问题限制，SiCIGBT的研发工作起步较晚，
9、1999年度才有报道。经太多年度的研究，目前已经逐步解决了上述问题。2020年度报道的13kVN沟道SiCIGBT通态比电阻到达了22m2。通过与SiCMOSFET、SiIGBT及晶闸管比拟发现，在阻断电压15kV以上领域，SiCIGBT综合了开关速度快及功耗低的特点，具有明显的上风。因此，通过不断提升SiCIGBT芯片特性及可靠性，SiCIGBT将成为智能电网中的核心器件。3SiC电力电子器件在牵引领域应用面对的挑战3.1芯片制造本钱过高从贸易化角度看，SiC功率器件在电力电子器件市场很大，但SiC能否成功打入牵引领域市场，最终还是取决于它的性价比。目前虽已实现了6英寸4H-SiC衬底制备，
10、但Cree公司从2英寸1997年度扩大到贸易化6英寸2020年度零微管4H-SiC衬底花费了13年度时间。同时，SiC功率器件工艺费用也很高，设备及技术把握在国外少数几家公司。较高的价格导致其通常应用在高温，辐照等Si器件不能应用的领域。较小的市场维持高的本钱限制了SiC功率器件的开展。目前，同一规格SiC功率器件的价格是Si器件的5-6倍，当这一数值降到2-3倍时，SiC功率器件将会大范围应用于电动汽车、机车、动车变流器中，推动牵引系统快速开展。3.2材料缺陷多，单个芯片电流小固然目前SiC器件的研究已经获得了非常瞩目的成果，但其性能离SiC材料本身的极限还有较大间隔。近几年度，利用物理气相
11、传输法PVT生长的SiC晶体和化学气相沉积法CVD生长的SiC薄膜获得了惊人的进步。采用缓冲层、台阶控制外延及位置竞争等技术制备的SiC薄膜晶体质量有了很大的进步，并实现了可控掺杂。但晶体中仍含有大量的微管、位错和层错等缺陷，这些缺陷严重限制了SiC芯片成品率及大电流需求。SiC电力电子器件要想应用于牵引领域，单个芯片面积必需要在1.2cm2以上，以保证100A以上的通流才能，降低多芯片并联产生的寄生参数。因此，SiC材料必须解决上述缺陷问题，SiC器件才有可能在牵引领域批量应用。3.3器件封装材料与技术有待进步目前SiC功率器件封装工艺及方法通常借鉴SiIGBT封装技术，在DBC布局、芯片键
12、合、高温焊料、硅凝胶填充、密封材料等方面还存在一些问题，不能充分发挥SiC材料高温及高频应用的上风。针对SiC器件封装特殊要求，三菱、塞米控、富士等公司在封装材料及构造方面提出了新的思路，如三菱公司铜针布线技术，塞米控公司低温纳米银烧结技术，富士公司低电感和优化的DBC布局设计。随着国际厂商对SiC封装技术的重视，封装材料的不断开展及封装构造优化，封装将不再是限制SiC器件性能的瓶颈，SiC材料上风将完全得到展现。4结论相比于目前广泛应用的Si电力电子器件，SiC器件可工作于更高的开关频率，实现电容及电感等储能和滤波部件小型化；芯片功率密度更大，缩小器件及功率模块尺寸；损耗小，工作结温高，减小
13、冷却装置体积。这些优良特性共同推动牵引变流器向小型化、轻量化、高效率的方向开展。目前，由SiCSBD与SiCMOSFET组成的开关器件已经开场应用于机车牵引领域，展现出了优越的性能。当前制约SiC电力电子器件在牵引领域应用的主要因素包括：衬底及外延本钱高，芯片价格高；材料缺陷多，芯片成品率及单只芯片电流受到限制；封装技术存在瓶颈，SiC材料性能无法得到完全展现。不过可以看见的是，随着SiC材料技术的不断开展及各大厂商对SiC器件的重视，SiC电力电子器件将来几年度在成品率、可靠性、价格及封装技术方面可获得较大改善，将广泛应用于牵引领域，逐步展现出其性能和降低变流系统本钱方面的上风，对牵引变流器的开展和变革产生持续的推动作用。0