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碳化硅二极管的应用
碳化硅二极管的历史-早期应用

本文(wen)主要是(shi)(shi)讲碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)二极管的(de)(de)应(ying)用(yong)领(ling)域(yu)与历史(shi)介绍，详(xiang)解碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)MOS管分(fen)类及结构，是(shi)(shi)硅(gui)(gui)与碳(tan)的(de)(de)唯一(yi)合成(cheng)物就(jiu)是(shi)(shi)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)(SiC)，俗称金刚砂。SiC 在自然界(jie)中以矿物碳(tan)硅(gui)(gui)石的(de)(de)形式存(cun)在，但十分(fen)稀少。不过，自1893 年以来(lai)，粉(fen)状碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)已被(bei)大(da)量生产用(yong)作研磨(mo)剂(ji)。碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)(gui)用(yong)作研磨(mo)剂(ji)已有一(yi)百多年的(de)(de)历史(shi)，主要用(yong)于磨(mo)轮(lun)和(he)众多其他研磨(mo)应(ying)用(yong)。

1、LED

电致发(fa)(fa)光现象最早于(yu)1907 年使用碳化硅(gui)发(fa)(fa)光二极管(LED) 发(fa)(fa)现。很(hen)快，第一批商用SiC 基LED 就生(sheng)产(chan)(chan)出来了。20 世纪(ji)70 年代，前苏联生(sheng)产(chan)(chan)出了黄色SiC LED，20 世纪(ji)80 年代蓝色LED 在世界范围内(nei)广泛生(sheng)产(chan)(chan)。后来推(tui)出了氮化镓(GaN) LED，这(zhei)种LED 发(fa)(fa)出的光比SiC LED 明亮数(shu)十倍(bei)(bei)乃至(zhi)上(shang)百(bai)倍(bei)(bei)，SiC LED 也(ye)因(yin)此(ci)几(ji)乎停(ting)产(chan)(chan)。然而，SiC 仍然是常用于(yu)GaN 设备的基底，同时还用作高(gao)功率LED 散(san)热(re)器。

2、避雷器

达(da)到阈值电(dian)压(ya)(VT) 前，SiC 都具有较高的电(dian)阻。达(da)到阈值电(dian)压(ya)后，其电(dian)阻将大幅下降，直至施加(jia)的电(dian)压(ya)降到VT 以下。最(zui)早(zao)利用该特性的SiC 电(dian)气应用是配电(dian)系统中的避雷器（如图(tu)）。

由(you)于(yu)SiC 拥有(you)压(ya)(ya)(ya)敏电(dian)(dian)(dian)阻，因(yin)此SiC 芯(xin)块(kuai)(kuai)柱(zhu)可(ke)连(lian)接在(zai)(zai)(zai)高压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)(dian)线和地(di)(di)面之间(jian)。如电(dian)(dian)(dian)源线遭雷(lei)击，线路电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)将(jiang)上升并超过SiC 避(bi)(bi)(bi)雷(lei)器(qi)的(de)(de)(de)阈值电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(VT)，从(cong)而(er)(er)将(jiang)雷(lei)击电(dian)(dian)(dian)流导向并传至地(di)(di)面（而(er)(er)非电(dian)(dian)(dian)力线），因(yin)此不(bu)(bu)(bu)会造成任何伤害。但(dan)(dan)是(shi)，这些SiC 避(bi)(bi)(bi)雷(lei)器(qi)在(zai)(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)力线正常工作电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)下过于(yu)导电(dian)(dian)(dian)。因(yin)而(er)(er)必须串(chuan)联一(yi)个(ge)火(huo)(huo)花隙(xi)(xi)(xi)。当雷(lei)击使电(dian)(dian)(dian)源线导线的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)上升时，火(huo)(huo)花隙(xi)(xi)(xi)将(jiang)离子化(hua)(hua)并导电(dian)(dian)(dian)，将(jiang)SiC 避(bi)(bi)(bi)雷(lei)器(qi)有(you)效(xiao)地(di)(di)连(lian)接在(zai)(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)力线和地(di)(di)面之间(jian)。后来，相关人员发现(xian)避(bi)(bi)(bi)雷(lei)器(qi)中使用(yong)的(de)(de)(de)火(huo)(huo)花隙(xi)(xi)(xi)并不(bu)(bu)(bu)可(ke)靠(kao)。由(you)于(yu)材料失效(xiao)、灰尘或(huo)盐侵(qin)等原因(yin)，可(ke)能出现(xian)火(huo)(huo)花隙(xi)(xi)(xi)在(zai)(zai)(zai)需要时无法触发电(dian)(dian)(dian)弧(hu)，或(huo)者电(dian)(dian)(dian)弧(hu)在(zai)(zai)(zai)闪电(dian)(dian)(dian)结束后无法猝熄的(de)(de)(de)情况(kuang)。SiC 避(bi)(bi)(bi)雷(lei)器(qi)本来是(shi)用(yong)来消除对(dui)火(huo)(huo)花隙(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)依赖的(de)(de)(de)，但(dan)(dan)由(you)于(yu)其不(bu)(bu)(bu)可(ke)靠(kao)，有(you)间(jian)隙(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)SiC 避(bi)(bi)(bi)雷(lei)器(qi)大多被(bei)使用(yong)氧化(hua)(hua)锌芯(xin)块(kuai)(kuai)的(de)(de)(de)无间(jian)隙(xi)(xi)(xi)变阻器(qi)所取(qu)代。

3、电力电子中的SiC

使(shi)用(yong)SiC生产的(de)半导(dao)体设备有(you)多种，包括肖特基(ji)二极(ji)管(guan)（也(ye)称肖特基(ji)势垒二极(ji)管(guan)，或(huo)SBD）、J 型FET（或(huo)JFET），以及用(yong)于(yu)大功(gong)率开(kai)关应(ying)用(yong)的(de)MOSFET。SemiSouth Laboratories（已(yi)于(yu)2013 年倒闭）在2008 年推出了(le)第(di)一(yi)款商(shang)(shang)用(yong)1200 V JFET，Cree 在2011 年生产了(le)第(di)一(yi)款商(shang)(shang)用(yong)1200 V MOSFET。在此期间，一(yi)些公(gong)司也(ye)开(kai)始尝(chang)试将(jiang)SiC 肖特基(ji)二极(ji)管(guan)裸芯片应(ying)用(yong)到电(dian)力(li)电(dian)子模块中(zhong)。事实(shi)上，SiC SBD 已(yi)广泛用(yong)于(yu)IGBT 电(dian)源模块和功(gong)率因数校正(PFC) 电(dian)路。

SiC的利与弊

SiC 基(ji)电(dian)力电(dian)子(zi)元件如(ru)此吸(xi)引人的(de)一(yi)个原因就是，在(zai)既定阻(zu)断电(dian)压(ya)条件下，其掺杂密度比硅基(ji)设备(bei)几(ji)乎(hu)高(gao)(gao)出(chu)百倍。这样就可以(yi)通(tong)过低导(dao)(dao)通(tong)电(dian)阻(zu)获得高(gao)(gao)阻(zu)断电(dian)压(ya)。低导(dao)(dao)通(tong)电(dian)阻(zu)对高(gao)(gao)功率(lv)应用至关重要，因为导(dao)(dao)通(tong)电(dian)阻(zu)降低时发热少，从而减(jian)少了(le)系统热负荷并(bing)提高(gao)(gao)了(le)整体(ti)效(xiao)率(lv)。

但生产SiC 基(ji)电子元器件(jian)本身也(ye)存在(zai)一些(xie)难(nan)点，消除缺(que)陷(xian)成(cheng)(cheng)了(le)最(zui)重(zhong)要的(de)(de)问(wen)(wen)(wen)题(ti)。这(zhei)些(xie)缺(que)陷(xian)会导致SiC 晶体(ti)制成(cheng)(cheng)的(de)(de)元器件(jian)反向阻(zu)断性能较差。除了(le)晶体(ti)质量问(wen)(wen)(wen)题(ti)，二氧化硅和(he)(he)SiC 的(de)(de)接口问(wen)(wen)(wen)题(ti)也(ye)阻(zu)碍了(le)SiC 基(ji)功率(lv)MOSFET 和(he)(he)绝缘栅双极型晶体(ti)的(de)(de)发展。幸(xing)运的(de)(de)是，生产中使(shi)用渗(shen)氮工艺可使(shi)造成(cheng)(cheng)这(zhei)些(xie)接口问(wen)(wen)(wen)题(ti)的(de)(de)缺(que)陷(xian)大大降低。

SiC研磨片

碳化硅仍然在许多(duo)工业应用(yong)中用(yong)作(zuo)(zuo)研磨剂(ji)。其在电子行(xing)业中主要(yao)用(yong)作(zuo)(zuo)抛(pao)光膜(mo)，用(yong)于在拼接前为光导纤维(wei)的两端抛(pao)光。这些(xie)膜(mo)片能(neng)够给光纤接头带来有效(xiao)运作(zuo)(zuo)所需的高光洁度(du)。碳化(hua)硅的(de)(de)生产已(yi)有(you)一(yi)百多(duo)年的(de)(de)历史， 但直到最近才用(yong)(yong)于(yu)电(dian)力(li)电(dian)子行业。由(you)于(yu)其具备特殊的(de)(de)物理和电(dian)气特性，在高(gao)(gao)压和高(gao)(gao)温(wen)应用(yong)(yong)中十分(fen)有(you)用(yong)(yong)。

如今-碳化硅二极管在各个领域的应用

1.太阳能逆变器

太(tai)阳能发(fa)电(dian)用(yong)二(er)极(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)基(ji)本材料，碳(tan)化硅(gui)(gui)二(er)极(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)各项(xiang)技术(shu)指标均优于普通(tong)双(shuang)极(ji)(ji)二(er)极(ji)(ji)管(guan)(silicon bipolar)技术(shu)。碳(tan)化硅(gui)(gui)二(er)极(ji)(ji)管(guan)导通(tong)与关断状(zhuang)态的(de)(de)转换速度非常(chang)快，而且没有(you)普通(tong)双(shuang)极(ji)(ji)二(er)极(ji)(ji)管(guan)技术(shu)开关时的(de)(de)反(fan)(fan)向恢(hui)复电(dian)流(liu)。在(zai)消除反(fan)(fan)向恢(hui)复电(dian)流(liu)效应(ying)后(hou)，碳(tan)化硅(gui)(gui)二(er)极(ji)(ji)管(guan)的(de)(de)能耗(hao)降低70%，能够(gou)在(zai)宽温(wen)度范(fan)围内保持高(gao)能效，并(bing)提高(gao)设计人员优化系统工作频率的(de)(de)灵活性。

2.新能源汽车充电器

碳化硅二极(ji)管通过汽车(che)级产(chan)品测试，极(ji)性接反击穿电压提高到650V，能够满足设计人员(yuan)和汽车(che)厂(chang)商希(xi)望降低(di)电压补偿(chang)系数 的(de)要(yao)求，以确保车(che)载(zai)充(chong)电半导体元器件(jian)的(de)标称电压与瞬间峰压 ，之间有充(chong)足的(de)安全裕度 。二极(ji)管的(de)双管产(chan)品 ，可(ke)最(zui)大限(xian)度提升(sheng)空(kong)间利用率，降低(di)车(che)载(zai)充(chong)电器的(de)重(zhong)量。

3.开关电源优势

碳化硅的使用(yong)可(ke)以(yi)极(ji)快的切(qie)换，高频(pin)率操作，零恢复(fu)和温度无关的行(xing)为，再(zai)加我(wo)们(men)的低电感RP包，这(zhei)些二极(ji)管(guan)可(ke)以(yi)用(yong)在任向(xiang)数量的快速开关二极(ji)管(guan)电路或(huo)高频(pin)转换器(qi)应(ying)用(yong)。

4.工业优势

碳化硅(gui)二极管：重型电(dian)机(ji)、工(gong)业(ye)设(she)备(bei)主要是(shi)用在高频(pin)电(dian)源的转换器上，可以带来高效(xiao)率(lv)、大功率(lv)、高频(pin)率(lv)的优势。

SiC器件

一、SiC器件分类

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是碳化(hua)硅电力电子器(qi)件研(yan)究中最受(shou)关注的器(qi)件。成(cheng)果比较突出(chu)的就是美(mei)国的Cree公司和日本(ben)的ROHM公司。

在Si材(cai)料(liao)已(yi)经(jing)接(jie)近理论性能极(ji)限的(de)(de)今天，SiC功(gong)(gong)率(lv)器(qi)件因其高(gao)(gao)耐压、低损耗、高(gao)(gao)效率(lv)等(deng)特(te)性，一直被视为“理想器(qi)件”而(er)(er)备受期待(dai)。然而(er)(er)，相对于以(yi)往(wang)的(de)(de)Si材(cai)质器(qi)件，SiC功(gong)(gong)率(lv)器(qi)件在性能与成(cheng)本间的(de)(de)平衡以(yi)及(ji)(ji)其对高(gao)(gao)工艺(yi)的(de)(de)需求，将成(cheng)为SiC功(gong)(gong)率(lv)器(qi)件能否(fou)真正普及(ji)(ji)的(de)(de)关键。

二、碳化硅MOS的结构

碳化硅(gui)MOSFET（SiC MOSFET）N+源(yuan)区和P井(jing)掺杂都(dou)是(shi)采用离子(zi)注入的方(fang)式，在1700℃温度中进行(xing)退火激活(huo)。另(ling)一个(ge)关键的工(gong)艺是(shi)碳化硅(gui)MOS栅(zha)氧化物的形成。由(you)于碳化硅(gui)材料中同时有Si和C两种原子(zi)存在，需要非常特(te)殊的栅(zha)介质生长方(fang)法。其沟槽星结构的优势(shi)如下：

SiC-MOSFET采用沟(gou)槽(cao)结构可最(zui)大限度(du)地(di)发挥SiC的(de)特(te)性。

三、碳化硅MOS的优势

硅(gui)IGBT在一般情况下只能(neng)工(gong)作(zuo)在20kHz以下的(de)(de)频率。由(you)于受到材料(liao)的(de)(de)限制，高压高频的(de)(de)硅(gui)器(qi)件无法实现。碳化硅(gui)MOSFET不仅适合于从600V到10kV的(de)(de)广泛电压范围，同(tong)时具备(bei)单极型(xing)器(qi)件的(de)(de)卓越开(kai)关性能(neng)。相比于硅(gui)IGBT，碳化硅(gui)MOSFET在开(kai)关电路(lu)中不存(cun)在电流(liu)拖尾的(de)(de)情况具有更低(di)的(de)(de)开(kai)关损耗和更高的(de)(de)工(gong)作(zuo)频率。

20kHz的(de)(de)碳化(hua)硅(gui)(gui)MOSFET模(mo)(mo)块(kuai)(kuai)的(de)(de)损耗可以比(bi)3kHz的(de)(de)硅(gui)(gui)IGBT模(mo)(mo)块(kuai)(kuai)低(di)一半(ban)， 50A的(de)(de)碳化(hua)硅(gui)(gui)模(mo)(mo)块(kuai)(kuai)就(jiu)可以替(ti)换(huan)150A的(de)(de)硅(gui)(gui)模(mo)(mo)块(kuai)(kuai)。显示了碳化(hua)硅(gui)(gui)MOSFET在工作频率(lv)(lv)和效率(lv)(lv)上的(de)(de)巨大优(you)势。

碳化硅(gui)(gui)MOSFET寄(ji)生(sheng)(sheng)体(ti)二(er)极(ji)(ji)管(guan)具有极(ji)(ji)小的反向恢复(fu)时间(jian)trr和反向恢复(fu)电荷Qrr。如图(tu)所示(shi)，同一(yi)额定电流900V的器(qi)件，碳化硅(gui)(gui)MOSFET 寄(ji)生(sheng)(sheng)二(er)极(ji)(ji)管(guan)反向电荷只有同等电压规格硅(gui)(gui)基(ji)MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变(bian)换器(qi)工作在高(gao)于谐振频率(lv)的时候），这个指(zhi)标(biao)非常关键，它可以减小死区时间(jian)以及体(ti)二(er)极(ji)(ji)管(guan)的反向恢复(fu)带来的损(sun)耗和噪音，便于提(ti)高(gao)开关工作频率(lv)。

四、碳化硅MOS管的应用

碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅MOSFET模块(kuai)在光伏、风电(dian)(dian)(dian)、电(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)汽(qi)(qi)车及轨道交(jiao)通等中高(gao)功(gong)(gong)率电(dian)(dian)(dian)力系统应(ying)用上(shang)具(ju)有巨大(da)的(de)(de)(de)优势(shi)(shi)。碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅器(qi)件的(de)(de)(de)高(gao)压高(gao)频和高(gao)效率的(de)(de)(de)优势(shi)(shi)，可(ke)以突破现有电(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)汽(qi)(qi)车电(dian)(dian)(dian)机(ji)设计上(shang)因器(qi)件性能(neng)而受(shou)到(dao)的(de)(de)(de)限制，这是目前国(guo)内(nei)外电(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)汽(qi)(qi)车电(dian)(dian)(dian)机(ji)领域研发的(de)(de)(de)重(zhong)点。如电(dian)(dian)(dian)装(zhuang)和丰田合作开发的(de)(de)(de)混合电(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)汽(qi)(qi)车（HEV）、纯电(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)汽(qi)(qi)车（EV）内(nei)功(gong)(gong)率控制单元(yuan)（PCU），使用碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅MOSFET模块(kuai)，体(ti)积比减小到(dao)1/5。三(san)菱(ling)开发的(de)(de)(de)EV马达(da)驱动(dong)(dong)系统，使用SiC MOSFET模块(kuai)，功(gong)(gong)率驱动(dong)(dong)模块(kuai)集成到(dao)了(le)电(dian)(dian)(dian)机(ji)内(nei)，实现了(le)一体(ti)化(hua)(hua)和小型化(hua)(hua)目标。预计在2018年-2020年碳(tan)(tan)化(hua)(hua)硅MOSFET模块(kuai)将广泛(fan)应(ying)用在国(guo)内(nei)外的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)动(dong)(dong)汽(qi)(qi)车上(shang)。

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