SIC碳化硅SIC二极管器件的作用与发展趋势

什么是碳化硅二极管

通常大家所用的基本都是以硅为原料的二极管，但是最近比较热门的碳化硅二极管是用碳化硅为原料的二极管。目前常见的多为高压的肖特基碳化硅二极管，其优点：反向恢复特性很好，媲美肖特基硅二极管。但是可以做高压的二极管。在PFC中已有较多应用。缺点：正向导通压降比较大。还有一点与硅二极管不同的是其导通压降随温度上升反而增大。早期的碳化硅二极管，还有可承受冲击电流小，可靠性不高等缺点。但是目前已有很大改善。

碳化硅材料以其优异的性能被行业列为第三代半导体材料，其击穿场强是硅的10倍，热导率是硅的2.5倍。用碳化硅材料制作的MOS器件可在大于200度的高温环境下工作，具有极低的开关损耗和高频工作能力，减小模块的体积和重量，显著提高系统的效率，有利于节能降耗，广泛应用于风光发电、光伏逆变、UPS储能、新能源汽车、航天军工等高科技领域。

SiC 功率模块

碳化硅功率模块是全球电力电子器件大型企业目前重点的发展方向。碳化硅功率模块已经在一些高端领域实现了初步应用，包括高功率密度电能转换、高性能电机驱动等等，并具有广阔的应用前景和市场潜力。在碳化硅功率模块领域，首先开始研发的是基于碳化硅功率二极管和硅基IGBT的混合功率模块。第一个实现商用的采用碳化硅二极管和硅基IGBT的高功率模块是Infineon公司的PrimePACK产品。随着碳化硅器件的进步，全碳化硅功率模块不断被研发出来。美国Cree公司报道了阻断电压10kV，电流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通过并联模块得到100A的电流传输能力。2009年美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关1200V、100A的碳化硅功率模块，该模块由耐高压和大电流的碳化硅的MOSFET器件和碳化硅肖特基二极管组成。2011年，美国U.S. Army Research Laboratory研发了用20个80A的SiC MOSFET以及20个50A SiC肖特基二极管制作了一个1200V/800A的双向功率模块。该模块用作全桥逆变并与Si器件比较实验，结果表明功率损耗至少降低40%，在同样输出电流等级情况下SiC的模块可以工作在Si模块的4倍频状态。该模块预计用于电动汽车领域。2012年，日本富士电机公司研发基于SiC MOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模块。该模块采用新型无焊线设计、氮化硅陶瓷作衬底制作，可以在200°C高温工作作，并且类似倒装芯片的压接式设计使得该模块与起传统的铝线键合模块相比具有内电感低的特点，同时损耗更低，与传统同功率IGBT模块相比具有更紧凑的结构，大小约为原先的1/2。2012年日本罗姆公司开始推出全碳化硅功率模块，这些全碳化硅功率模块组合了碳化硅MOSFET器件和肖特基二极管，利用高速开关及低损耗的特性，可替换原来额定电流为200～400A的硅基IGBT模块。因器件散热性提高，使得装置的体积缩小了一半，并且发热量小，可缩小冷却装置，实现装置的小型化，同时可以将电力转换时的损耗削减85%以上，大幅削减工业设备的电力损耗。全碳化硅MOSFET(或JFET)模块的优良特性使它具备在10kV以下的应用中取代硅基IGBT的巨大潜力，取代的速度和范围将取决于碳化硅材料和器件技术的成熟速度和成本下降的速度。

小结

碳化硅电力电子器件在提高电能利用效率和实现电力电子装置的小型化方面将发挥越来越大的优势。碳化硅电力电子器件能提高电能利用的效率，来实现电能损失的减少，因为相对于硅器件，碳化硅器件在降低导通电阻和减小开关损耗等方面具有优势。比如，由二极管和开关管组成的逆变电路中，仅将二极管材料由硅换成碳化硅，逆变器的电能损失就可以降低15～30%左右，如果开关管材料也换成SiC，则电能损失可降低一半以上。利用碳化硅制作的电力电子器件具备三个能使电力转换器实现小型化的特性：更高的开关速度、更低的损耗和更高的工作温度。碳化硅器件能以硅器件数倍的速度进行开关。开关频率越高，电感和电容等储能和滤波部件就越容易实现小型化;电能损失降低，发热量就会相应减少，因此可实现电力转换器的小型化;而在结温方面，硅器件在200°C就达到了极限，而碳化硅器件能在更高结温和环境温度的情况下工作，这样就可以缩小或者省去电力转换器的冷却机构。

随着碳化硅电力电子器件的技术进步，目前碳化硅器件相对于硅器件，不仅有性能的巨大优势，在系统成本上的优势也逐渐显现。根据美国公司的评估，与使用硅IGBT和硅二极管相比，使用该公司的第2代SiC MOSFET和SiC二极管能够降低升压转换器的总成本。具体来说，通过提高开关频率来缩小电感器、降低电感器的成本，可使总成本压缩到比使用Si功率元件时更低的程度。以10kW级的升压转换器为例，按照Cree公司估算的结果，如果使用Si功率元件，在20kHz下开关，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驱动的话，成本将分别降至170美元、163美元。使用SiC功率元件有望降低电力转换器的总成本。

在电力电子器件应用的众多领域，比如输电系统、配电系统、电力机车、混合动力汽车、各种工业电机、光伏逆变器、风电并网逆变器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等，碳化硅器件将逐步地展现出其性能和降低系统成本方面的优势。作为下一代电力电子器件的主要方向，碳化硅电力电子器件将为电力电子带来重要的技术革新，并推动电力电子领域在今后二、三十年的发展。

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