SiC功率半導體器件的優(yōu)勢及發(fā)展前景(劉)(2015)

1、SiC功率半導體器件的優(yōu)勢及發(fā)展前景中國科學院半導體研究所 劉忠立報告內(nèi)容1. Si功率半導體器件的發(fā)展歷程及限制2. SiC功率半導體器件的的優(yōu)勢3. SiC功率半導體器件的發(fā)展前景1. Si功率半導體器件的發(fā)展歷程及限制 Si功率半導體器件的發(fā)展經(jīng)歷了如下三代: 第一代-Si雙極晶體管(BJT )、晶閘管（SCR）及其派生器件。 功率晶閘管用來實現(xiàn)大容量的電流控制，在低頻相位控制領域中已得到廣泛應用。但是,由于這類器件的工作頻率受到dV/dt、di/dt的限制，目前主要用在對柵關斷速度要求較低的場合（在KHz范圍）。 在較高的工作頻率，一般采用功率雙極結晶體管，但是對以大功率為應用目標的B

2、JT，即使采用達林頓結構，在正向導通和強迫性柵關斷過程中，電流增益值一般也只能做到2x104A/cm2),線性區(qū)的電流密度達到570A/cm2,具有低到1.9m-cm2比導通電阻,其特性非常優(yōu)良。4) 平面功率MOSFET 平面功率MOSFET如右圖所示。對于SiMOSFET,當擊穿電壓超過200V時, 導通電阻增加。在高電壓時其比導通電阻大于10-2 -cm2,它導致導通電流密度為100A/cm2時導通壓降大于1V。盡管改進的結構可以使其工作在600V以上，但是比導通電阻仍然很大，從而限制了它在高頻下應用。SiC功率MOSFET可以克服平面功率MOSFET的缺點，而安全工作區(qū)又比Si 的IG

3、BT好。 右圖示出4H-SiC及Si的平面功率同 MOSFET的比導通電阻的比較?？梢钥闯?，對容易實現(xiàn)的電子遷移率inv=10cm2/V.S， 在1000V擊穿電壓時，4H-SiC器件的比導通電阻為Si器件的幾十分之一。而當inv=100cm2/V.S時，4H-SiC器件的比導通電阻比Si器件的小100倍以上。5) 槽柵功率MOSFET 槽柵功率MOSFET增大了器件的溝道密度，同時消除了寄生JFET的串聯(lián)電阻，因而改善了功率MOSFET的特性。下圖示出4H-SiC槽柵功率MOSFET同平面功率MOSFET比導通電阻的比較，可以看出，在1000V擊穿電壓下，槽柵器件的比導通電阻約改善了10倍。

4、3. SiC功率半導體器件的發(fā)展前景 由于SiC功率半導體器件在電力電子應用領域具有節(jié)電節(jié)能及減小體積方面的巨大優(yōu)勢和應用前景，由此各國大力投入，競相研究，并且在器件研究及應用方面不斷地取得領人振奮的成績。 在發(fā)展工業(yè)用的SiC功率半導體器件中，首先推出的是SiC肖特基二極管，2001年Infineon公司推出300V-600V(16A)的產(chǎn)品，接著Cree公司于2002年推出600V-1200V(20A)的產(chǎn)品，它們主要用在開關電源控制及馬達控制中，IGBT中的續(xù)流二極管也是它們的重要用途。2004年Cree公司銷售該系列產(chǎn)品達300萬美元,此后銷售額逐年上升 在軍用方面，美國Cree公司受

5、軍方資助，已開發(fā)出10kV/50A的SiC PiN整流器件和10kV的SiC MOSFET。下一步他們將要按比例縮小這些器件的尺寸，以得到10kV/110A的器件模塊，并將它們用于航母的電氣升級管理中去。 在歐洲，德國、法國及西班牙將SiC MOSFET用于太陽能逆變器，獲得98.5%的效率,它的普遍推廣，將帶來極可觀的節(jié)能和經(jīng)濟效益。三相光伏逆變器B6-Bridge750 DCV7 kW開關頻率：16.6 kHz功率半導體器件IGBT 2 (BSM15GD120DN2), IGBT 3 (FS25R12YT3), IGBT 4 (FS25R12W1T4)SiC-MOSFET (CNM 100

6、9)示例1三相光伏逆變器效率20年內(nèi)IGBT將會和目前的SiC元件具有同樣的性能一臺利用SiC晶體管7kW光伏逆變器的經(jīng)濟效益 能量增益 (每年)最大再生能源發(fā)電補助/KWA效率提高代來的增益(每年)效率提高帶來的增益(10年) 佛萊堡 (德國) 140KWh 0.45EUR 63EUR 630EUR 阿爾梅亞 (西班牙) 275KWh 0.44EUR 121EUR 1210EUR 馬 賽 (法國) 250KWh 0.55EUR 137EUR 1370EUR單相HERIC-逆變器H4-橋 + HERIC-開關管350DCV5 kW開關頻率：16 kHz功率半導體器件IGBT: FGL40N12

7、0ANDSiC Transistors: MOSFET (CNM 1009), JFET (SJEP120R063)SiC Diodes: C2D20120D示例2單相HERIC-Inverter效率當MOSFET高溫時，采用MOSFET和JFETs 的效率相等測量結果包括輔助源的損耗效率與溫度的關系(HERIC-逆變器)最高效率和溫度無關更小的散熱裝置損耗減半散熱裝置溫度可以更高效率與電壓關系(HERIC-逆變器)SiC晶體管最高效率與直流電壓關系不大可以用于寬范圍的輸入電壓逆變器最高效率提升圖 未來Si的IGBT有望用SiC功率MOSFET代替，而Si的iN整流二極管將會被SiC肖特基二極管取代。另外，由于SiC PN結二極管可以用低壽命的飄移區(qū)實現(xiàn)快恢復，在應用時， SiC功率MOSFET的內(nèi)部體二極管可以取代并聯(lián)的肖特基二極管，它將有利于