碳化硅半導(dǎo)體在功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用探析

王 立，賈淑文

（西安銳智翼電子科技有限公司，西安 710000）

從現(xiàn)階段發(fā)展而言，SiC器件在我們生活中已經(jīng)非常普遍，能夠有效推動(dòng)工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展，從而達(dá)到能源節(jié)約、能源創(chuàng)新以及能源儲(chǔ)藏的效果。除此之外，在早期的半導(dǎo)體功率元器件領(lǐng)域中，可以實(shí)現(xiàn)全面覆蓋的復(fù)合性產(chǎn)品群。

1 SiC器件的特點(diǎn)及應(yīng)用

碳化硅半導(dǎo)體具有高頻、高耐壓、低損耗、高熱導(dǎo)率、對(duì)光波透明等優(yōu)良性質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域，具有較高的利用價(jià)值。在家庭中，應(yīng)用最廣的則是電腦電源以及空調(diào)，在工業(yè)生產(chǎn)中則是搬運(yùn)機(jī)器人、高頻電源以及調(diào)節(jié)器等，而在城市發(fā)展中則主要為電動(dòng)汽車、發(fā)電以及相關(guān)醫(yī)療設(shè)備。

2 SiC器件的產(chǎn)品

2.1 SiC肖特基二極管

現(xiàn)如今SiC在市場(chǎng)中的應(yīng)用已經(jīng)超過了10年，早在21世紀(jì)初的時(shí)候，全世界第一個(gè)以SiC為基礎(chǔ)的二極管制造廠商便誕生了。各國(guó)器件制造廠商現(xiàn)如今還在針對(duì)新型產(chǎn)品的陣容予以擴(kuò)充。相比于傳統(tǒng)產(chǎn)品，新型產(chǎn)品不但能夠保持較短的恢復(fù)時(shí)間實(shí)踐，而且還能在一定程度上減少正向電壓。

現(xiàn)如今，該系列的產(chǎn)品主要包括650V、1200V、1700V幾種耐壓。不僅如此，相比于硅材質(zhì)的二極管，其可以有效減少反向恢復(fù)造成的損耗。所以，在當(dāng)前家電以及電源行業(yè)中有著較高的普及率。

2.2 SiC MOSFET

長(zhǎng)期一來，相比于肖特基二極管，SiC MOSFET很容易在通電之后造成特性劣化的問題發(fā)生，從而對(duì)其量產(chǎn)化造成了較大的阻礙。相比于IGBT，SiC MOSFET在開關(guān)損耗方面相對(duì)較低，僅僅只有前者的1/6左右。所以，其應(yīng)用設(shè)備的體積得到了進(jìn)一步縮小，電力轉(zhuǎn)換效率方面也得到了一定的提升。

除此之外，當(dāng)前最新的設(shè)計(jì)所主要采用的是以溝槽為主的分立器件產(chǎn)品，并也逐步開始實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。相比于早期產(chǎn)品，新型產(chǎn)品在確保尺寸并沒有發(fā)生改變的前提下，使得導(dǎo)通電阻整整下降了55%，同時(shí)輸入電容也隨之下降了38%。由此能夠發(fā)現(xiàn)，在未來還會(huì)有更多低電阻的產(chǎn)品出現(xiàn)。

2.3 SiC功率模塊

SiC功率元件基本上全部都由功率模塊所組成，并且在2012年的時(shí)候開始進(jìn)行量產(chǎn)。不僅如此，以1200V 300A為基礎(chǔ)的新型功率模塊也在研發(fā)中，且預(yù)計(jì)能夠在這兩年開始量產(chǎn)。為了能夠使模塊產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)電流定額，內(nèi)部電感的降低是主要難題。而在依靠SiC布局并且對(duì)內(nèi)部布線重新優(yōu)化之后，其電感得到了有效減少，從而可以完成300A的高電流化。

3 SiC的擴(kuò)展產(chǎn)品

3.1 IGBT單品

現(xiàn)如今SiC已經(jīng)推出了兩種耐壓產(chǎn)品，分別是RGTH系列以及RGT系列。其中RGTH系列不但具有低保和的電壓特點(diǎn)，而且對(duì)于電路的轉(zhuǎn)換有著比較高的要求，因此在改善電路以及升壓電路中有著比較好的應(yīng)用效果。而RGT系列則具有較強(qiáng)的低保和特性，而且能夠?yàn)槟孀兤麟娐诽峁┳銐虻亩搪纺土?，也正是由于這個(gè)原因，經(jīng)常會(huì)應(yīng)用與空調(diào)之中。這兩種系列全部都包括將超高速軟恢復(fù)集中在模塊之內(nèi)的產(chǎn)品。在以后，設(shè)計(jì)企業(yè)還會(huì)對(duì)于1200V的耐壓產(chǎn)品予以優(yōu)化，確保其能夠滿足車載應(yīng)用的產(chǎn)品陣容之中。

3.2 點(diǎn)火裝置用的IGBT

為了能夠滿足車載應(yīng)用產(chǎn)品的實(shí)際需求，相關(guān)企業(yè)推出了能夠進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的裝置IGBT，這種產(chǎn)品不僅可以確保雪崩耐量能夠滿足正常使用的需求，同時(shí)還能體現(xiàn)出低保和的基本特性。一般主要利用D-PAK進(jìn)行外部封裝，并且能夠達(dá)到汽車基礎(chǔ)元件的使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 IPM產(chǎn)品

至于IPM產(chǎn)品新增加了IGBT單品、高速恢復(fù)的FRD以及柵極驅(qū)動(dòng)IC和IPM。這種產(chǎn)品主要采用了600V的柵極驅(qū)動(dòng)IC，不會(huì)有任何由于閉鎖造成的不良影響出現(xiàn)。自舉電路中的電阻主要以電流限制方式為主，不僅能夠?qū)擞侩娏饔枰砸种?，促使浮?dòng)電源更具穩(wěn)定性。一般情況下，預(yù)計(jì)兩種面向低容量的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，這種產(chǎn)品可以在較低的頻率中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以及在較高的頻率中驅(qū)動(dòng)，以此減少開關(guān)中的損耗，從而實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

不但是IGBT，應(yīng)用于逆變驅(qū)動(dòng)且功耗較低的產(chǎn)品也都將會(huì)有新型產(chǎn)品出現(xiàn)，以此提升工業(yè)生產(chǎn)的效率。而在新型產(chǎn)品MPSFET中，還可以依靠IC控制技術(shù)減少IPM中的電流損耗，基本上大概下降了44%左右。

不僅如此，除了能夠降低功耗之外，可以節(jié)省能源的消耗，從而可以有效降低IPM相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前半導(dǎo)體SiC元器件不但有著較大的應(yīng)用率，在硅半導(dǎo)體中同樣十分受歡迎，其產(chǎn)品陣容也在不斷擴(kuò)大。

[1] 王學(xué)梅.寬禁帶碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車中的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，34（3）：371-379.

[2] 潘三博，黃軍成，劉建民.碳化硅功率器件在電力電子中的應(yīng)用[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，16（3）：107-112.