碳化硅二極管的應(yīng)用
碳化硅二極管的歷史-早期應(yīng)用

本文主要是講碳化硅二極管的應(yīng)用領(lǐng)域與歷史介紹，詳解碳化硅MOS管分類及結(jié)構(gòu)，是硅與碳的唯一合成物就是碳化硅(SiC)，俗稱金剛砂。SiC 在自然界中以礦物碳硅石的形式存在，但十分稀少。不過，自1893 年以來，粉狀碳化硅已被大量生產(chǎn)用作研磨劑。碳化硅用作研磨劑已有一百多年的歷史，主要用于磨輪和眾多其他研磨應(yīng)用。

1、LED

電致發(fā)光現(xiàn)象最早于1907 年使用碳化硅發(fā)光二極管(LED) 發(fā)現(xiàn)。很快，第一批商用SiC 基LED 就生產(chǎn)出來了。20 世紀(jì)70 年代，前蘇聯(lián)生產(chǎn)出了黃色SiC LED，20 世紀(jì)80 年代藍(lán)色LED 在世界范圍內(nèi)廣泛生產(chǎn)。后來推出了氮化鎵(GaN) LED，這種LED 發(fā)出的光比SiC LED 明亮數(shù)十倍乃至上百倍，SiC LED 也因此幾乎停產(chǎn)。然而，SiC 仍然是常用于GaN 設(shè)備的基底，同時還用作高功率LED 散熱器。

2、避雷器

達(dá)到閾值電壓(VT) 前，SiC 都具有較高的電阻。達(dá)到閾值電壓后，其電阻將大幅下降，直至施加的電壓降到VT 以下。最早利用該特性的SiC 電氣應(yīng)用是配電系統(tǒng)中的避雷器（如圖）。

由于SiC 擁有壓敏電阻，因此SiC 芯塊柱可連接在高壓電線和地面之間。如電源線遭雷擊，線路電壓將上升并超過SiC 避雷器的閾值電壓(VT)，從而將雷擊電流導(dǎo)向并傳至地面（而非電力線），因此不會造成任何傷害。但是，這些SiC 避雷器在電力線正常工作電壓下過于導(dǎo)電。因而必須串聯(lián)一個火花隙。當(dāng)雷擊使電源線導(dǎo)線的電壓上升時，火花隙將離子化并導(dǎo)電，將SiC 避雷器有效地連接在電力線和地面之間。后來，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)避雷器中使用的火花隙并不可靠。由于材料失效、灰塵或鹽侵等原因，可能出現(xiàn)火花隙在需要時無法觸發(fā)電弧，或者電弧在閃電結(jié)束后無法猝熄的情況。SiC 避雷器本來是用來消除對火花隙的依賴的，但由于其不可靠，有間隙的SiC 避雷器大多被使用氧化鋅芯塊的無間隙變阻器所取代。

3、電力電子中的SiC

使用SiC生產(chǎn)的半導(dǎo)體設(shè)備有多種，包括肖特基二極管（也稱肖特基勢壘二極管，或SBD）、J 型FET（或JFET），以及用于大功率開關(guān)應(yīng)用的MOSFET。SemiSouth Laboratories（已于2013 年倒閉）在2008 年推出了第一款商用1200 V JFET，Cree 在2011 年生產(chǎn)了第一款商用1200 V MOSFET。在此期間，一些公司也開始嘗試將SiC 肖特基二極管裸芯片應(yīng)用到電力電子模塊中。事實上，SiC SBD 已廣泛用于IGBT 電源模塊和功率因數(shù)校正(PFC) 電路。

SiC的利與弊

SiC 基電力電子元件如此吸引人的一個原因就是，在既定阻斷電壓條件下，其摻雜密度比硅基設(shè)備幾乎高出百倍。這樣就可以通過低導(dǎo)通電阻獲得高阻斷電壓。低導(dǎo)通電阻對高功率應(yīng)用至關(guān)重要，因為導(dǎo)通電阻降低時發(fā)熱少，從而減少了系統(tǒng)熱負(fù)荷并提高了整體效率。

但生產(chǎn)SiC 基電子元器件本身也存在一些難點，消除缺陷成了最重要的問題。這些缺陷會導(dǎo)致SiC 晶體制成的元器件反向阻斷性能較差。除了晶體質(zhì)量問題，二氧化硅和SiC 的接口問題也阻礙了SiC 基功率MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體的發(fā)展。幸運的是，生產(chǎn)中使用滲氮工藝可使造成這些接口問題的缺陷大大降低。

SiC研磨片

碳化硅仍然在許多工業(yè)應(yīng)用中用作研磨劑。其在電子行業(yè)中主要用作拋光膜，用于在拼接前為光導(dǎo)纖維的兩端拋光。這些膜片能夠給光纖接頭帶來有效運作所需的高光潔度。碳化硅的生產(chǎn)已有一百多年的歷史， 但直到最近才用于電力電子行業(yè)。由于其具備特殊的物理和電氣特性，在高壓和高溫應(yīng)用中十分有用。

如今-碳化硅二極管在各個領(lǐng)域的應(yīng)用

1.太陽能逆變器

太陽能發(fā)電用二極管的基本材料，碳化硅二極管的各項技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于普通雙極二極管(silicon bipolar)技術(shù)。碳化硅二極管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速度非?？?，而且沒有普通雙極二極管技術(shù)開關(guān)時的反向恢復(fù)電流。在消除反向恢復(fù)電流效應(yīng)后，碳化硅二極管的能耗降低70%，能夠在寬溫度范圍內(nèi)保持高能效，并提高設(shè)計人員優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率的靈活性。

2.新能源汽車充電器

碳化硅二極管通過汽車級產(chǎn)品測試，極性接反擊穿電壓提高到650V，能夠滿足設(shè)計人員和汽車廠商希望降低電壓補(bǔ)償系數(shù) 的要求，以確保車載充電半導(dǎo)體元器件的標(biāo)稱電壓與瞬間峰壓 ，之間有充足的安全裕度 。二極管的雙管產(chǎn)品 ，可最大限度提升空間利用率，降低車載充電器的重量。

3.開關(guān)電源優(yōu)勢

碳化硅的使用可以極快的切換，高頻率操作，零恢復(fù)和溫度無關(guān)的行為，再加我們的低電感RP包，這些二極管可以用在任向數(shù)量的快速開關(guān)二極管電路或高頻轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

4.工業(yè)優(yōu)勢

碳化硅二極管：重型電機(jī)、工業(yè)設(shè)備主要是用在高頻電源的轉(zhuǎn)換器上，可以帶來高效率、大功率、高頻率的優(yōu)勢。

SiC器件

一、SiC器件分類

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

二、碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢如下：

SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。

三、碳化硅MOS的優(yōu)勢

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。

四、碳化硅MOS管的應(yīng)用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現(xiàn)有電動汽車電機(jī)設(shè)計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動汽車上。

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