碳化硅半导体

《碳化硅半导体》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳化硅半导体（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、碳化硅半导体碳化硅半导体2010-06-1420:13碳化硅半导体作 者：FrankJ.Bartos, CONTROLENGINEERING 编辑顾问在性能上的增长，纯硅功率晶体管有着令人羡慕的成绩，然而，对于高 要求的功率开关和控制的应用上，它似乎已经到达了它的极限。碳化硅（SiC）, 作为一种新型半导体材料，具有潜在的优点:更小的体积、更有效率、完全去 除开关损耗、低漏极电流、比标准半导体（纯硅半导体）更高的开关频率以及在 标准的125C结温以上工作的能力。小型化和高工作耐温使得这些器件的使用 更加自如，甚至可以将这些器件直接置于电机的外壳内。任何一种新技术都会 经历由发展到成熟的过程，S

2、iC也不例外。标准功率开关，如绝缘栅双极型晶 体管（IGBT），有很大的产品基础和优化的生产技术。而SiC却需要投入大量经 费和研发资金来解决材料问题和完善半导体制造技术。然而这种功率开关器件, 能够在正向导通大电流和反向截止千伏电压之间快速执行开关动作，这样的性 能是值得一试的。SiC最初的成功应用和主要应用发光二极管，用于汽车头灯 和仪表盘其他照明场合。其他的市场包括开关电源和肖特基势垒二极管。将来 会应用到包括混合动力车辆、功率转换器（用于减小有源前置滤波器的体积）和 交流/直流电机控制上。这些更高要求的应用还没有商业化，因为它们需要高 质量的材料和大规模的生产力来降低成本。在全世界范围

3、内，大量的研究经费 投入到了公司、实验室和政府设施，以使SiC技术更加可行。一些专家预言， SiC技术的商业化、工业化甚至军工应用将在2到5年或者更远的时间内变成 现实。图l:APEIInc.的这个功能齐全的基于SiC的3kW三相换流器原型，可 以工作于250C以上的温度。电机控制生产商对于SiC的发展特别有兴趣，有 些甚至与研究人员和半导体生产商进行合作来促进SiC的发展。但是他们大多 数都对这种协作关系闭口不谈。SiC技术的促进者RockwellAutomation公司 标准驱动部门的顾问工程师GarySkibinski博士说：RockwellAutomation看 到了这个新技术的潜在优

4、点并认为自己是SiC技术的促进者。Rockwell公司 也确定了 SiC技术会如何融入其将来的商业计划。对于一个领先的公司，理解 并接纳新兴技术是至关重要的。发展正在逐步进行。Skibinski举例道，在 驱动模块的每个标准IGBT上附加一个SiC功率二极管，作用如同变极飞轮二 极管，作为提高生产力逻辑上的第一步；这种改变其次将会应用于功率开关上。 他说:纯SiC驱动仍处于研发和原型论证阶段。相对于纯SiC模型（SiIGBT+ 反平行二极管开关）的进展，在近期对于Si-SiC混合型功率模型（SilGBT+商业 SiC二极管）的研究中，Rockwell公司在减少能量损耗和增加载波频率上获得 突破

5、性进展。此模型总的功率损耗为Eon+Err+Eoff(见图2)。对于Si或者 SiC二极管，不管Rgate值如何变化，Eoff的值都不会变化，但是当使用SiC 二极管时，其他的两个功率损耗分量会因Rgate值的变化而发生变化。对于任 何Rgate值，二极管反向恢复损耗Err实际上已经几乎减小到0(94%)。当 Rgate=25Q 时 GBT 的 Eon 减小了 37%,当 Rgate=8 绞保琁 GBT 的 Eon 减小了 85%。图2:RockwellAutomation近期的调查显示，相对于全硅模块，Si-SiC 混合模块可以潜在地减小功率损耗Eon和Err。为了便于比较，全硅模块的 IG

6、BT功率损耗En被规格化为每一个单位3.3 J。研究的结果证明了更高开关 频率的可能性，在以前，更高的开关频率一直受限于纯硅二极管的反向恢复损 耗。Err限制了在减小开启损耗上的进一步发展。Skibinski解释道:硅模块 的供应商推荐使用一个门电阻Rgate (例如25Q，来平衡IGBT的开启能量损耗 (Eon)关断能量损耗(Eoff)。然而对于SiC二极管，门电阻Rga te就可以省去 不用了。他说:SiC二极管能够降低总功率损耗(Eon+Err+Eoff)，这一特性仔 驱动上的应用有着潜在优点。首先，在使用同样的制冷系统的条件下，它可 以达到4倍的开关频率，可以使前置电磁滤波器具有更好的

7、性能、更小的体积 和更低的价格。或者，你也可以保留现在的开关频率和制冷系统，这样就可以 得到更高的效率和稳定性、更低的损耗、更高的额定输出。降低的总功率损耗 可以潜在地降低制冷花费。YaskawaElectrie是另一个采用SiC技术的驱动生 产商，他把SiC技术应用于雷达屏幕上。YaskawaElectrie总结SiC的基本的 优点有:高工作温度、高开关速度、在导通和开关模式下都具有更低的损耗， 这些是驱动系统更加有效率。日本小仓YaskawaElectrie公司研发实验室的 IEEE的特殊会员TsuneoJ.Kume博士在ControlEngineering中说道：这种低 损耗的特性，加上

8、高工作结温，是碳化硅器件和制冷系统具有更小的体积，进 而导致具有更高功率密度的驱动系统的成为可能。而且，高频开关性能极大地 改进了控制系统的响应和带宽。Yaskawa公司正在与先进的半导体生产商密 切合作，例如MitsubishiSemiconductors公司，只要技术成熟，将会推出具 有先进技术的SiC器件。据Kume说，这种技术正在为实际应用和质量作进一 步实验，使用这种新技术的驱动产品，暂时还没有开始开发。敏捷的，创新的 一些小型的，具有创新精神的公司往往会对先进技术产生促进作用。在SiC领 域内，一个这样的例子 是 ArkansasPowerElectronicslnternatio

9、nallnc。 APEI专攻对于使用SiC器件作为核心技术的高性能功率电子系统的开发。APEI公司的总裁AlexanderB.Lostetter博士说：APEI公司特别关注那些用于 极端环境(温度高于500C或更高)和/或具有很高功率密度的应用场合的技术。 图3:TranSiC的双极型碳化硅功率晶体管BitSiC1206，是一个已经和用户见 面的6-A原型。30-A原型的期间计划于2007年底面世。APEI公司已经开发、 制造并测试了基于SiC技术的直流和交流电机驱动、单相合三相换流器(额定 功率为3kW和5kW)、直流到直流转换器。Los tetter介绍公司其他方面的研究 进展包括:高温封

10、装技术，此技术使单一器件可以工作于500或500以上的环 境。还有基于SiC技术的模拟/数字低压电路控制，借此可以将电路集成到工 作于300C以上的功率控制系统中。同样在开发中的还有可以工作于500C温 度下的基于离散SiC结型场效应晶体管JFET(junctionfield- effec tt ransis tor)的运算放大器。Los tetter说：高结温减小了电子产品的 热处理系统的体积，并使其可以工作与高功率密度下。SiC专家Swedish于 2005年建立了另外一家活跃于SiC功率晶体管开发的小公司一TranSiCAB，它 是从斯德哥尔摩的RoyallnstituteofTechn

11、ology(KTH)公司分离出来的。最近 TranSiCAB成功地完成了他的具有标准TO247封装的双极型晶体管的原型论证。 第一个模型BitSiC1206是一个1200V、6A的器件。TranSiC公司的 CEOBoHammarlund，提到芯片的封装很成功，打开和关断的开关性能相比于同 类产品也很优秀。公司从各种各样的货源购买SiC晶片和外部材料，但是关键 的芯片处理全部完成与KTH的实验室中。Hammarlund解释道，BitSiC的工业 封装是由一个经验丰富的外包公司完成的，但是当客户是飞行员时，TranSiC 公司可以提供短周期的快速封装，因为在这种应用场合下，封装的价格和开发 速度

12、是有关的。TranSiC希望两年之内能够使BitSiC产品成熟起来并使其具 有成本效益。时下，每片这种芯片是十分昂贵的。Hammarlund解释道:我们 会采用每一项成本降低措施，我们希望在之后的2年内，每六个月成本会降低 30%。下一个目标是在2006年底使BitSiC具有广大的客户群，并在TranSiC 的网站上提供给书说明书。Hammarlund告诉ControlEngineering我们的目标 是在2007年底完成30A的器件原型，加上可以承受225C结温的封装原型。 更高电流的期间公司的长期开发路线。不同的观点并不是每一个人都同意碳化硅功率控制的前景。ABB公司是高 功率半导体的专家

13、，但是在2002年，瑞典的联合开发中心，他终止了 SiC开 发项目。公司半导体研发部对于此举措的一个解释是由Basel平面断层导致的 双极导通衰减效应。这反映了一种单纯基于高电压/高功率器件和应用的前景。 ABBSwitzerlandSemiconductors 研发部的总工程师 MunafRahimo 博士说：碳 化硅短期上适合低电压单极型二极管，它也有潜力用于离散高频场合中的低功 率双极晶体管和结型场效应晶体管。然而，由于SiC和Si材料间更高的PN结 栅高，双极性二极管仅对于额定电压高于4.5kV的器件的传导损耗方面能起到 些左用。另一方面，SiC双极型晶体管并没有被这个缺点所阻碍，从长

14、远上看, 它在高压应用领域还是比其他种类的开关值得关注的。对于SiC技术的快速 开关能力，ABBSemiconductors确认说，这种高频工作能力仅在低杂散电感的 环境中才适用，例如低功率/低压系统中。Rahimo说:在高功率系统中，杂散 电感很大，要求半导体缓慢地执行开关动作。对于SiC器件，这就意味着让它 慢慢地开关，以适应缓冲器的要求，这会重新引入损耗，而这些损耗原本就是 我们试图采用昂贵的SiC器件来消除的。另外，Rahimo说，现在底层材料的 价格是普通材料的100倍（对于3英寸的SiC晶片），将来或许会降至10倍。 虽然SiC晶片的质量有所提升，器件生产商可以适用更小的模具，（5

15、mm2片） 同时保证产量，但是更大尺寸的模具（例如25mm2片的50A二极管）的产量就很 低了。相对于晶片直径6英寸和12英寸的单片集成电路二极管器件，4英寸 的SiC晶片，质量仍旧很差。他补充道:Si晶片的生产次品率很低，领先SiC 功率器件5到10年。对于高功率SiC器件的时间线可能更长。其他的开发人 员也意识到了 SiC的缺点，但是仍在继续开发。期望的突破对于APEIInc.的应用，用来刺激SiC技术的突破落在器件和 封装上。Los tetter说:在器件层面上，晶片产量是主要关心的，低产量意味 着这种器件商品化的步伐会很慢。APEI据称和许多国际生产商合作，以图获 得器件的高产量，且处

16、于研发阶段。但是如果器件不能商品化，使用这些器件 的系统也就不能商品化。公司提及的其他要点包括，对于不会降低功率密度性 能的压控常闭器件的需要，以及可以经受住长期可靠性和高温环境的半导体镀 金工艺。时下很多器件都是常开或者电流控制的。Los tetter解释道，使用常 开器件来开发功率系统需要十分小心，特别需要小心的是当系统出现灾难性事 故时候的保护，例如防止所有功率器件同时打开，直接将电源接地。图4:由 APEIInc.开发的用于NASA的金星登陆机器人的全SiC材料的直流电机驱动， 可以应用于500C以上的温度中。在材料层面上，APEI看到了对强模具材料的 需求，在功率层上它必须长期可靠、防止扩散、耐腐蚀，机械上可靠的功率层, 可以应付极端温度波动不会因为热扩张和应力破裂而产生损坏。一些原型产品 已经出现，而一些SiC驱动工程仍有很长的战线。APEI提及他在于美国政府 客户合作中的令人激动的发展。高功率密度三相电机驱动正在应用于美国军队 的未来战斗系统（FCS）项目。此系统连接全电子或混合电子战斗