与传统功率半导体相比，碳化硅（SiC）及氮化镓（GaN）等新一代功率半导体具有高频、损耗较小的特点，其应用有助于开发新一代高效率、高开关频率、高结温、高功率密度的电力电子变流器。本文讲述了传统功率半导体发展以及特性，详细介绍了碳化硅（SiC））的材料特性与发展，以及新型功率半导体在新能源汽车，轨道交通领域的应用。 标签：碳化硅；碳化硅MOSFET；功率半导体
Abstract Compared with the traditional power semiconductors，silicon carbide（SiC）and gallium nitride（GaN）such as a new generation of power semiconductors has the characteristics of high working frequency，its application will help to develop a new generation of high efficiency，high switching frequency，high junction temperature，high power density of the power electronics converter. In this paper，the development and characteristics of traditional power semiconductors are described，and then the material properties and development of silicon carbine（SiC）and the application of new power semiconductors are introduced in detail. Finally，the application of the new power devices i
n electric vehicle，rail transportation is introduced.
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pcba检测设备keywords：Silicon carbide（SiC），Silicon carbide MOSFET，power device
1 引言
实心锥形喷嘴功率半导体器件（Power Semiconductor Device），也可以叫做电力半导体器件，或者电力电子器件，属于电力电子技术的范畴。一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高di/dt和du/dt，具有低的开关损耗，并具有全控功能。
为了实现高效率的能源传输与利用，高性能功率元件在能源转换中扮演着重要角。传统硅基（Si-based）材料由于无法提供较低导通电阻，因而在电力传输或转换时导致大量能量损耗。碳化硅器件则由于具备高导热特性，加上材料具有宽能隙特性而能耐高压与承受大电流，更符合高温作业应用与高能效利用的要求，在近期持续受到热切关注。相较于碳化硅已发展十多年了，氮化镓功率元件则才刚进入市场，它是一种拥有类似于碳化硅性能优势的宽能隙材料，但拥有更大的成本控制潜力。
近年来现代硅基功率半导体器件的迅速发展和成熟，促使各种新型大功率电力电子装置成功地应用于各种工业电源、电机驱动、电力牵引、电能质量控制、可再生能源发电、分布式发电、国防和前沿科学技术等领域。
2 新型功率宽禁带SiC半导体器件的特点
硅基功率器件已经发展到了相当成熟的地步。为了进一步满足人们对高频、高温、高功率密度等具有理想特性功率器件的需求，功率器件的研究工作越来越多地转向了新型半导体材料的功率器件[3]。在众多半导体材料中，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的宽禁带材料功率器件成为人们研究关注的焦点。宽禁带半导体材料以其较宽的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速度、较高的击穿电场强度以及較低的介电常数等优点，决定了GaN和SiC等宽禁带半导体材料更适合应用在高频、高功率等条件较为恶劣的场合。宽禁带半导体器件的发展必将给电力电子器件的发展带来又一次革命。正是由于碳化硅功率器件的显著优点，其发展十分迅速，目前国际上许多公司、大学和研究实验室正在致力于SiC功率器件的研究，在整流、双极型晶体管及MOSFET的多种功率开关器件方面取得了令人瞩目的进展。人们越来越重视SiC在一些电路上的应用，市场上也有了基于SiC器件的模块电
路。对于碳化硅功率器件的研究主要集中在其动态特性与静态特性。并且一些基于碳化硅材料的肖特基二极管和MOSFET已经商业化生产并在实际电路中得到应用。表1-1给出了SiC材料与Si材料的物理参数，并分别从禁带宽度、临界击穿电场强度、介电常数以及热导率等方面对其进行对比。
（1）SiC的禁带宽度是Si材料的三倍，因此碳化硅器件的泄漏电流比硅器件要少几个数量级，所以碳化硅的高功率器件的功率损耗较小；
（2）SiC的热导率约为Si材料的三倍，这使得SiC器件更容易散热，从而减少了电路系统对散热设备的依赖，降低电路系统的体积，提高了SiC集成电路的集成度；
（3）SiC的电子饱和漂移速度是Si的两倍，这使得SiC高功率器件与Si功率器件相比具有较低的导通电阻，从而大大降低了功率器件的导通损耗。
（4）SiC的临界击穿电场是Si的十倍，使SiC电力器件具有更高的耐压和耐流，更适合应用在高压大功率等极端环境领域。
根据以上分析的SiC材料的这些优良特性，可以看出，在同等耐压条件下，SiC 功率器件具
有更快的开关速度，更小的导通电阻以及开关损耗和传导损耗。因此，SiC材料在物理特性上的优势，使其更适合应用在高温、高频以及大功率器件和抗辐射器件的场合。3 碳化硅功率器件
3.1 SiC功率二极管
SiC 功率二极管有三种类型：肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）、PiN 二极管和结势垒肖特基二极管（Junction Barrier Schottky，JBS）。其截面图如图1 所示。肖特基二极管开关速度快、导通压降低，但阻断电压偏低、漏电流较大；PiN二极管阻断电压高、漏电流小，但工作过程中反向恢复严重，JBS 二极管结合了肖特基二极管所拥有的出的开关特性和 PiN 结二极管所拥有的低漏电流的特点。
把 JBS 二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管（MergedPiN Schotty，MPS）。
与 Si 二极管相比，SiC SBD 的显著优点是阻断电压提高，几乎无反向恢复以及更好的热稳定性。图2给出了Si快恢复二极管和 SiC 肖特基二极管的反向恢复过程对比。可见 SiC 肖特基二极管几乎无反向恢复，且反向恢复特性不受温度的影响。
3.2 SiC 单极型器件
（1）SiC MOSFET：功率 MOSFET 具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在 Si 基器件中，功率 MOSFET 获得巨大成功。SiC 功率MOSFET 面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。
正是因为 Si MOSFET 的优越特性，SiC MOSFET 成为 SiC 电力电子器件中最受关注的器件。2010 年，美国的 PowerEx 公司推出了两款 SiC MOSFET 功率模块（1200V/100A），具有很高的功率密度。随后，罗姆公司在 2012 年推出了如图 1-2（a）所示的 SiC MOSFET 功率模块，其功率定额高达 1200V/180A。CREE公司在2014年推出了如图1-2（b）所示的SiC MOSFET功率模块，相比罗姆公司的功率模块，其功率定额高达1200V/300A，该功率模块内部采用多个SiC MOSFET 并联进行功率扩容，配置为半桥电路结构，采用 SiC SBD 作为反并联二极管，模块的开关频率能够达到 100kHz 以上，满足了较大功率场合的应用要求。
水翼（2）SiC JFET。SiC JFET 是碳化硅结型场效应管，具有导通电阻低、开关速度快、耐高温及热稳定性高等优点，具有常开和常闭两种类型。图4给出两类 SiC JFET 的截面图。常
开型 SiC JFET 在没有驱动信号时处于导通状态，容易造成桥臂的直通危险，降低了功率电路的安全可靠性。对此，Semisouth 公司推出了常闭型 SiC JFET，但这种器件的栅极开启电压阈值太低（典型值为 1V），在实际应用中容易产生误导通现象。哈特曼光阑
3.3 SiC IGBT
SiC MOSFET 的通态电阻随着阻断电压的上升而迅速增加。在高压领域，SiC IGBT将具有明显的优势。由于受到工艺技术的限制，SiC IGBT的起步较晚，高压SiC IGBT面临两个挑战：第一个挑战与 SiC MOSFET 器件相同，沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题；第二个挑战是 N 型 IGBT 需要 P 型衬底，而 P 型衬底的电阻率比 N 型衬底的电阻率高 50 倍。图5对 15kV的N-IGBT和MOSFET的正向导 通能力做了对比分析，结果表明：在结温为300K时，在芯片功耗密度为200W/cm2以下的条件下，MOSFET 可以获得更大的电流密度，而在更高的功耗密度条件下，IGBT可以获得更大的电流密度。但是在结温为 400K时，IGBT 在功耗密度为 50W/cm2以上的条件下就能够导通比MOSFET 更高的电流密度。
4 SiC功率器件的应用
SiC（碳化硅）与Si器件相比存在三方面优势：更高的击穿电压强度；更低的损耗；更高的热导率。这些特性意味着SiC器件可以用在高电压、高开关频率、高功率密度的场合。
在新能源汽车中的应用
随着SiC模块功率制造水平的提高，SiC将会是越来越适合电动汽车驱动器的半导体器件，采用SiC器件是实现电动汽车驱动器高功率密度的有效手段。目前，将SiC功率模块应用于电机驱动逆变器的研究越来越多，丰田汽车公司已经在混合动力车上应用了SiC功率模块，如图6所示。
目前Si逆变器的常用开关频率为5-10kHz，系统会产生5-20kHz的开关噪声，该噪声在人耳可以听到的频率范围内，易使人产生不舒适感。而使用SiC器件后，通过提高开关频率到40kHz，可以使得系统产生的开关噪声频率超过人耳可以听到的频率范围。与此同时，开关频率提升后有利于降低电流控制谐波，从而降低电磁噪声，提高整车的行驶体验。
（2）在轨道交通中的应用
三菱公司基于在机车牵引等应用领域中对碳化硅器件多年的现场应用经验，开发出全新的
全碳化硅2单元MOSFET模块FMF750DC-66A，其額定电压为3.3 kV，额定电流为750 A，特别适用于高性能牵引变流器和柔性变换器的设计。数字电视接收器
其应用案例是直流母线电压1500 V且开关频率为750 Hz的牵引变流器，图7（a）描述了采用FMF 750DC-66A替换CM600DA-66X（Si IGBT）后所带来的能耗改善，特别是在车辆部分负载条件下，节能潜力巨大。当输出电流在400 A以下时，全碳化硅器件的半导体功耗可以降低50%～80%（在相同的器件尺寸下），而在部分负载下时，运行功耗可以进一步降低。此外，由于FMF750DC-66A的效率更高，可运行结温更高，整流模式运行时的最大功率也会增加。由于整流模式用于车辆减速时的能量回收，所以会有更多的能量被回收并反馈回电网，这同样降低了传统制动系统上的压力。5 总结
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