新一代SiC功率器件及其在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用

王振民，王鵬飛

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

新一代SiC功率器件及其在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用

王振民，王鵬飛

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640）

目前逆變焊機(jī)普遍采用的Si基功率器件的性能已接近由其材料特性決定的理論極限，依靠Si基功率器件繼續(xù)完善和提高逆變焊機(jī)性能的潛力已十分有限。SiC是一種革命性的寬禁帶半導(dǎo)體材料，是下一代功率半導(dǎo)體材料的重點(diǎn)發(fā)展方向。介紹了新型SiC材料的特性及其功率器件的類型、原理和特點(diǎn)；對(duì)比分析SiC和普通Si基功率器件的性能；在此基礎(chǔ)上探討將SiC功率器件應(yīng)用于逆變焊機(jī)的優(yōu)勢(shì)；分析和展望SiC功率器件在新一代逆變焊機(jī)中的應(yīng)用前景。

SiC；逆變焊機(jī)；功率器件；寬禁帶半導(dǎo)體

0 前言

焊接作為國(guó)家工業(yè)發(fā)展的重要支柱，是提升我國(guó)制造業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，成為引領(lǐng)世界制造業(yè)發(fā)展的制造強(qiáng)國(guó)，實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”規(guī)劃的重要一環(huán)。焊機(jī)為焊接電弧提供能量，其性能優(yōu)劣直接影響到焊接工藝質(zhì)量。目前，逆變焊機(jī)已成為電焊機(jī)的主流成品，并朝著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化等方向發(fā)展[1]。逆變焊機(jī)的功率器件（包括MOFET、IGBT、SBD、FRD等）普遍采用Si半導(dǎo)體器件。這些Si功率器件的開(kāi)關(guān)性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的完善而接近由其材料特性決定的理論極限，依靠Si功率器件繼續(xù)完善和提高弧焊逆變電源性能的潛力已十分有限，迫切需要依靠新材料來(lái)滿足新一代逆變焊機(jī)對(duì)器件性能的更高要求。

新型半導(dǎo)體材料和器件的研究與突破，常常帶來(lái)新的技術(shù)革命和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料擁有傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體材料難以比擬的優(yōu)異性能，在實(shí)際應(yīng)用中能夠給逆變焊機(jī)系統(tǒng)注入新的活力，對(duì)研制出具備緊湊體積、耐高溫、高功率密度、耐高壓、抗輻射以及高性價(jià)比等性能的新一代高性能逆變焊機(jī)，推動(dòng)整個(gè)焊接設(shè)備的更新?lián)Q代和焊接行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本研究介紹目前已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用的SiC功率器件的特點(diǎn)、分類以及應(yīng)用于逆變焊機(jī)時(shí)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，展望了寬禁帶SiC在新一代逆變焊機(jī)中的應(yīng)用和推廣。

1 SiC功率半導(dǎo)體器件發(fā)展現(xiàn)狀

如今，Si材料特性已基本被人們研究透徹，采用Si基功率半導(dǎo)體器件作為逆變電源的功率開(kāi)關(guān)，其性能的提升已到達(dá)一個(gè)瓶頸。為進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的效率，并且擁有更高的耐壓和更快的開(kāi)關(guān)速度，引入新的更加優(yōu)良的半導(dǎo)體材料已是當(dāng)務(wù)之急。寬禁帶SiC半導(dǎo)體是一種革命性的電力電子材料，它的帶隙遠(yuǎn)大于Si半導(dǎo)體，能夠顯著減少電子跨越的鴻溝，更容易控制電流和減少能源損耗。

2014年，奧巴馬政府宣布正式成立“下一代電力電子制造創(chuàng)新學(xué)院”NGPEMII（NextGenerationPower ElectronicsManufacturingInnovationInstitute）；美國(guó)能源部將在5年內(nèi)投資7 000萬(wàn)美元，推動(dòng)NGPEMII致力于發(fā)明和制造具有成本競(jìng)爭(zhēng)力及比現(xiàn)有硅技術(shù)強(qiáng)大10倍的WBG半導(dǎo)體電力電子器件[2]。日本政府則將發(fā)展SiC半導(dǎo)體技術(shù)列入“首相計(jì)劃”，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、京都大學(xué)、電力中央研究所以及一些大型日企在SiC方面開(kāi)展了大量研究工作，并且推出了系列SiC產(chǎn)品[3]。歐盟的SiC晶體生長(zhǎng)工藝裝備制造商集中在德國(guó)、瑞典和英國(guó)，目前主要生產(chǎn)3英寸的工藝裝備；英國(guó)軍方推出了Sceptre計(jì)劃；德國(guó)英飛凌、SiCED等公司也在SiC產(chǎn)品方面占據(jù)一定市場(chǎng)[4]。

在國(guó)內(nèi)，為了打破技術(shù)封鎖，我國(guó)早在2004年就啟動(dòng)了與寬禁帶半導(dǎo)體相關(guān)的“973”“國(guó)家重大基礎(chǔ)項(xiàng)目研究”等科研項(xiàng)目，由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司、中科院等研究所以及國(guó)內(nèi)相關(guān)高校參與了相關(guān)材料與器件研究工作，在SiC器件工藝與產(chǎn)品鏈等方面均取得了良好的成效[5]。

1.1 SiC材料特性

作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，SiC正逐漸成為功率半導(dǎo)體未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)。這種材料不但擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)[6]。具體來(lái)看，其導(dǎo)熱性能是Si材料的3倍以上；在相同反電壓下，SiC材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度比Si材料高10倍，而內(nèi)阻僅是Si片的百分之一。SiC器件的工作溫度可以達(dá)到600℃，而Si器件最高工作溫度不超過(guò)200℃。常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的一些物理參數(shù)如表1所示[7]。由表1可知，SiC材料優(yōu)良的耐受能力和穩(wěn)定性使得其在高溫半導(dǎo)體器件方面擁有不可比擬的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，使得SiC材料特別適合應(yīng)用于大功率半導(dǎo)體器件。

表1 常用半導(dǎo)體材料物理特性參數(shù)對(duì)比Tab.1Physical characteristic parameters comparison of commonly used semiconductor materials

1.2 SiC功率二極管

SiC功率二極管主要有三種類型：肖特基二極管（Schottky barrier diode，SBD）、PiN二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管（junction barrier Schottky，JBS）。SiC和Si功率管的一些參數(shù)如表2所示。

以SiC肖特基二極管為例，它是速度最快的高壓肖特基二極管，無(wú)需反向恢復(fù)充電，可大幅降低開(kāi)關(guān)損耗、提高開(kāi)關(guān)頻率，適用于比采用Si材料的肖特基二極管高得多的操作電壓范圍[8]。例如，600V SiC肖特基二極管可以用在交換模式開(kāi)關(guān)電源（SMPS）中；300 V SiC肖特基二極管可以用作48～60 V快速輸出開(kāi)關(guān)電源的整流二極管；而1 200 V SiC肖特基二極管與硅IGBT組合后可以作為理想的續(xù)流二極管。

表2 SiC和Si功率管的主要參數(shù)Tab.2Main parameters of Si and SiC power tube

PiN二極管有著耐高壓、低漏電、正向電流大、低導(dǎo)通損耗的優(yōu)點(diǎn)。而且SiC的擊穿電壓遠(yuǎn)大于Si，因而在相同的耐壓下，P-i-N結(jié)構(gòu)中i層漂移區(qū)的摻雜濃度可以高很多、厚度方面也薄很多，可以得到更低的正向電壓[9]，在器件性能方面比Si材料器件更加優(yōu)越。

SiC結(jié)勢(shì)壘肖基特二極管作為單極性器件，結(jié)合了肖特基二極管優(yōu)良的開(kāi)關(guān)特性和PiN二極管高耐壓、低漏電的特點(diǎn)。與PiN二極管相比，具有低開(kāi)啟電壓無(wú)反向恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，并且有效地解決了肖基特二極管的反向耐壓?jiǎn)栴}[10]。具有高耐壓、大電流密度、正向壓降小、高溫漏電小、啟動(dòng)電壓小、開(kāi)關(guān)速度快等顯著特點(diǎn)，是目前較理想的高頻整流器件。

1.3 SiC MOSFET管

MOSFET管是典型的三端電壓控制型開(kāi)關(guān)器件（雙極型晶體管是三端電流控制型開(kāi)關(guān)器件），在開(kāi)關(guān)電源電路中，MOSFET管的使用與雙極性晶體管類似。SiC在制作MOSFET器件方面比其他寬禁帶半導(dǎo)體更具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镾iC能夠通過(guò)熱氧化形成二氧化硅絕緣介質(zhì)[11-12]。早期的SiC MOSFET管也存在很多問(wèn)題，如溝道電子遷移率低、開(kāi)啟電壓不穩(wěn)定、高溫工作可靠性不高等，這些問(wèn)題都與氧化層界面有關(guān)。SiC MOSFET作為新型的半導(dǎo)體功率元器件，最明顯的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單且與現(xiàn)有的功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驅(qū)動(dòng)電路兼容，SiC功率MOSFET面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題和溝道電阻問(wèn)題。SiC MOSFET二極管恢復(fù)測(cè)試電路如圖1所示，測(cè)試電路中二極管恢復(fù)波形如圖2所示[13]。

圖1 二極管恢復(fù)測(cè)試電路Fig.1Body diode recovery test circuit

圖2 二極管恢復(fù)波形Fig.2Body diode recovery waveform

1.4 SiC IGBT

絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）是由MOSFET管和雙極型晶體管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。SiC IGBT相比普通的IGBT開(kāi)關(guān)損耗可降低85％，與傳統(tǒng)的Si-IGBT模塊相替換時(shí)，體積可減小約50％，更適用于高頻工作且損耗更低，因此發(fā)熱更少，有利于減小散熱裝置體積，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，實(shí)現(xiàn)整體設(shè)備的小型化。

由于受到工藝技術(shù)的制約，全SiC IGBT功率模塊的發(fā)展較晚。高壓SiC IGBT和SiC MOSFET器件面臨著兩個(gè)急需解決的問(wèn)題：溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及電子遷移率問(wèn)題[13-14]。SiC IGBT器件的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用范圍為10 kV以上的高壓領(lǐng)域。在這種場(chǎng)合下，SiC MOSFET器件通態(tài)電阻過(guò)高的問(wèn)題較為明顯，但在10 kV以下的應(yīng)用中，SiC IGBT相對(duì)于SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)就沒(méi)那么明顯。在15kV以上的應(yīng)用領(lǐng)域，SiC IGBT綜合了功耗低和開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，相對(duì)于SiC MOSFET以及Si基IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1.5 SiC器件應(yīng)用現(xiàn)狀

由于制造工藝及設(shè)備的原因，SiC器件的價(jià)格相對(duì)較高，極大地限制了它的推廣應(yīng)用，最早只是在電力電子、軍工等對(duì)價(jià)格不是特別敏感的領(lǐng)域得到應(yīng)用。最近幾年，SiC功率器件的價(jià)格不斷走低，已逐步展現(xiàn)出其在性能和降低系統(tǒng)成本方面的巨大優(yōu)勢(shì)。由于優(yōu)異的綜合產(chǎn)品性能，SiC功率器件已經(jīng)在輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、風(fēng)電并網(wǎng)逆變器、光伏逆變器等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，并在電力機(jī)車、混合動(dòng)力汽車、各種工業(yè)電機(jī)等產(chǎn)品行業(yè)領(lǐng)域得到高度重視，在空調(diào)等白色家電、服務(wù)器及個(gè)人電腦等方面也得到了越來(lái)越多的廠家的青睞[15]。

2 SiC功率器件在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用與展望

2.1 功率器件與逆變焊機(jī)的更新?lián)Q代

20世紀(jì)70年代初，由晶閘管（SCR）構(gòu)成的可控整流式電焊機(jī)的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代電力電了技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入焊接電源設(shè)備領(lǐng)域。20世紀(jì)70年代～80年代，性能優(yōu)良的自關(guān)斷電力電子開(kāi)關(guān)器件（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）等相繼出現(xiàn)[16]。這些功率器件的出現(xiàn)不僅帶動(dòng)了電力電子行業(yè)的發(fā)展，也推動(dòng)了電焊機(jī)的更新?lián)Q代。目前，在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合，IGBT逆變焊機(jī)已經(jīng)成為工業(yè)電焊機(jī)的主流產(chǎn)品；而在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合，MOSFET逆變焊機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。這些逆變焊機(jī)普遍采用Si基功率器件，性能更為優(yōu)良的SiC功率器件的出現(xiàn)，將推動(dòng)新一代逆變焊機(jī)的發(fā)展。

2.2 Si基開(kāi)關(guān)管與SiC開(kāi)關(guān)管特性對(duì)比

2.2.1導(dǎo)通電阻特性

SiC MOSFET和普通MOSFET導(dǎo)通電阻特性如圖3、圖4所示[13，18]。由圖可知，正常情況下SiC功率管的導(dǎo)通電阻要低于Si管，當(dāng)溫度從25℃升到125℃時(shí)，SiC管的導(dǎo)通電阻增長(zhǎng)了62％，而普通Si管的導(dǎo)通電阻增長(zhǎng)了將近100％。SiC功率管的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，飽和導(dǎo)通時(shí)易于并聯(lián)使用。

圖3 SiC MOSFET導(dǎo)通電阻特性Fig.3On resistance characteristics of SiC MOSFET

圖4 Si MOSFET導(dǎo)通電阻特性Fig.4On resistance characteristics of SiC MOSFET

此外，SiC功率管應(yīng)用在高壓領(lǐng)域時(shí)的導(dǎo)通損耗遠(yuǎn)小于Si功率管，可進(jìn)一步提高能量的轉(zhuǎn)換效率。

2.2.2開(kāi)啟電壓特性

Si和SiC開(kāi)啟電壓和結(jié)溫的關(guān)系如圖5所示[13，18]。由圖可知，在同等產(chǎn)品規(guī)格條件下，SiC功率管的開(kāi)啟電壓小于Si功率管的開(kāi)啟電壓；柵源極電壓隨著結(jié)溫的上升而減小，125℃時(shí)SiC MOSFET的開(kāi)啟電壓最低僅為1.25 V，普通Si MOSFET則需要3.6V。

圖5 Si/SiC MOSFET開(kāi)啟電壓特性Fig.5Gate threshold voltage of Si/SiC MOSFET

由于SiC功率器件的開(kāi)關(guān)速度更快，因此在大功率和性能要求比較高的場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)對(duì)SiC MOSFET的可靠性和系統(tǒng)的性能有至關(guān)重要的影響。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需要防止其他信號(hào)干擾造成功率管的誤開(kāi)通，尤其是在高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，關(guān)斷速度過(guò)快容易導(dǎo)致較大的振鈴現(xiàn)象，從而造成功率管的誤開(kāi)通[17]。此外，SiC MOSFET的開(kāi)啟電壓均具有正的溫度系數(shù)，高溫場(chǎng)合使用時(shí)需采取相應(yīng)的措施以確保功率管可靠關(guān)斷。

2.2.3功率管抗雪崩擊穿能力

擊穿現(xiàn)象往往對(duì)晶體管特性起著破壞性作用，決定了晶體管的最高工作電壓。引起雪崩擊穿的三種電流分別為漏電流、位移電流、雪崩電流，這三者在理論上都會(huì)激活寄生晶體管導(dǎo)通。寄生晶體管導(dǎo)通使MOSFET由高壓小電流迅速過(guò)渡到低壓大電流狀態(tài)，從而發(fā)生雪崩擊穿。從表3的數(shù)據(jù)（EAS、EAR）可以分析功率管的抗雪崩能力：SiC能承受的最大單脈沖雪崩能量EAS（SiC）≈EAS（Si）；最大重復(fù)脈沖雪崩能量EAR（SiC）>>EAR（Si）。整體來(lái)看，SiC功率管相比Si功率管具有更突出的抗雪崩擊穿能力。

表3 SiC和Si器件抗雪崩擊穿能力Tab.3Anti-breakdown capability of SiC and Si device

2.2.4開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗特性

開(kāi)通過(guò)程中，因?yàn)橛休斎腚娙荽嬖?，?huì)存在一個(gè)充電過(guò)程。當(dāng)UGS=Ut時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)id，id隨著UGS上升而上升，開(kāi)通時(shí)間為

關(guān)斷過(guò)程中，柵極輸入電容上的電荷先放電。當(dāng)電壓下降到UGSP之后，如果電壓繼續(xù)下降id將減小，隨后UGS繼續(xù)下降，id也隨著下降。關(guān)斷時(shí)間為

由表4可知，SiC材料的功率管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間比Si材料的功率管要小很多，可以顯著提高器件的開(kāi)關(guān)速度，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中輸入電容需要充放電，所以需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，而且工作速度越快，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大[18]。

表4 SiC和Si器件開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間Tab.4Switching time of SiC and Si device

SiC與Si功率器件的開(kāi)關(guān)損耗如表5所示。SiC功率管較Si功率管在總開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)時(shí)間上均有較大的降低?？梢?jiàn)，SiC功率管更適合高壓高頻應(yīng)用領(lǐng)域，有利于增加開(kāi)關(guān)頻率、降低系統(tǒng)損耗、減小變換器中無(wú)源器件的體積和成本。

表5 SiC與Si器件開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比Tab.5Switching loss of SiC and Si device

2.3 SiC功率器件對(duì)逆變焊機(jī)性能的提升

目前市場(chǎng)中的主流逆變焊機(jī)普遍采用Si基功率器件。如果采用新一代寬禁帶SiC功率器件來(lái)替換現(xiàn)用的Si功率器件，將能夠極大地提升逆變焊機(jī)的綜合性能，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）逆變頻率更高，動(dòng)態(tài)性能更好。逆變焊機(jī)的基本特點(diǎn)是工作頻率高。SiC功率器件具備優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，并且在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程基本不存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，在同等工況下，SiC開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率可以比Si基功率管更高。隨著逆變頻率的提高，逆變焊機(jī)可以采用更小的濾波電抗，主電路的時(shí)間常數(shù)更小，使得逆變焊機(jī)的動(dòng)態(tài)性能更好，對(duì)焊接工藝過(guò)程的精細(xì)控制成為可能。

（2）能效更高。全SiC模塊的動(dòng)態(tài)損耗非常低：SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗是Si IGBT的1/4，普通二極管比SiC肖特基二極管的損耗高8～9倍。低損耗在能效方面也有顯著的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的IGBT弧焊逆變器，其額定效率一般為85％，采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以達(dá)到93％；而采用SiC功率器件，開(kāi)關(guān)管的輸出效率可以達(dá)到98％以上，這使逆變焊機(jī)具有更高的能效[22-23]。

（3）更為小巧輕便。由于逆變頻率的提高，使得回路中的磁性器件的體積和質(zhì)量大幅度降低；與此同時(shí)，由于SiC功率器件的耐高溫性能更好，同等工況下能夠采用更小體積的散熱器和散熱風(fēng)扇。與采用傳統(tǒng)Si基IGBT技術(shù)相比，采用SiC功率器件的逆變焊機(jī)的體積性能提高4倍，總體成本約為現(xiàn)有逆變焊機(jī)的1/2，而質(zhì)量約為現(xiàn)有逆變焊機(jī)的1/4[24]。

（4）可靠性更好。雖然SiC MOSFET和肖特基二極管的最大額定電流沒(méi)有傳統(tǒng)的Si基IGBT的高，但SiC具有更高的熱傳導(dǎo)率和更好的熱擴(kuò)散能力，通過(guò)并聯(lián)SiC晶片可以大幅提升SiC器件的功率輸出能力，并且輸出電壓和輸出電流的穩(wěn)定性更好。

最近幾年SiC器件價(jià)格的變化趨勢(shì)如表6所示。器件的價(jià)格按照每1A電流所需美元（USD/A）來(lái)折算，SiC MOSFET的價(jià)格從6.4 USD/A到現(xiàn)在的0.595 USD/A，SiC Diode從0.505 USD/A到現(xiàn)在的0.27USD/A僅僅用了不到4年的時(shí)間。據(jù)估計(jì)，SiC器件的價(jià)格到2016年還會(huì)繼續(xù)下降25％左右。

表6 SiC器件的價(jià)格（USD/A）變化趨勢(shì)Tab.6Price（USD/A）change trend of SiC device

總體來(lái)看，逆變式焊機(jī)總體發(fā)展趨勢(shì)是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展，并以提高可靠性及拓寬用途為核心。將SiC功率器件應(yīng)用于逆變焊機(jī)時(shí)，不僅可以顯著提高工作效率，而且能夠有效降低系統(tǒng)中無(wú)源器件的質(zhì)量和成本，有助于實(shí)現(xiàn)逆變焊機(jī)的小型化、高效化和高性能。SiC功率器件的引入，將為逆變焊機(jī)未來(lái)的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用[19]。隨著制造工藝的成熟和量產(chǎn)成本的迅速降低，性能優(yōu)良的寬禁帶SiC器件必將推動(dòng)逆變焊機(jī)進(jìn)入迅速更新?lián)Q代的新局面。

3 結(jié)論

作為一種寬禁帶半導(dǎo)體器件，SiC功率器件具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱耐受性、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可以在更高的電壓、工作頻率和功率密度條件下運(yùn)行。將SiC功率器件應(yīng)用于逆變焊機(jī)，不僅可以進(jìn)一步提高能效、減少體積和質(zhì)量、改善動(dòng)態(tài)性能，還能進(jìn)一步提高逆變焊機(jī)的綜合性能，推動(dòng)逆變焊機(jī)的更新?lián)Q代。

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A new generation silicon carbide power device and its application in welding inverter

WANG Zhenmin，WANG Pengfei
（School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Nowadays，the performance of the Si power devices widely used in welding inverter is close to its theoretical limit decided by its material characteristics. Relying on the Si power devices，the potential for improving the performance of welding inverter is very limited. SiC is a revolutionary wide bandgap semiconductor material，which is the one of the major development directions of the next generation power semiconductor materials.In this paper the characteristics of the SiC materials and the type，principle and characteristics of SiC power device are introduced；the performance of SiC and ordinary Si power device is compared and analyzed.The advantages of SiC power devices applied to welding inverter are discussed.Finally，the application prospect of SiC power devices for welding inverter is expected and analyzed.

SiC；welding inverter；power device；wide bandgap semiconductor

TG434.1

C

1001－2303（2016）06－0001-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.01

2015-10-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375173）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)培育項(xiàng)目（2015ZP220）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B010402007，2013B011302006，2014 B010104002）

王振民（1974—），男，湖南人，教授，博士，主要從事大功率數(shù)字化逆變電源、焊接自動(dòng)化等方面的研究和教學(xué)工作。