什么是碳化硅二極管

通常大家所用的基本都是以硅為原料的二極管，但是最近比較熱門的碳化硅二極管是用碳化硅為原料的二極管。目前常見的多為高壓的肖特基碳化硅二極管，其優(yōu)點：反向恢復特性很好，媲美肖特基硅二極管。但是可以做高壓的二極管。在PFC中已有較多應用。缺點：正向導通壓降比較大。還有一點與硅二極管不同的是其導通壓降隨溫度上升反而增大。早期的碳化硅二極管，還有可承受沖擊電流小，可靠性不高等缺點。但是目前已有很大改善。

碳化硅材料以其優(yōu)異的性能被行業(yè)列為第三代半導體材料，其擊穿場強是硅的10倍，熱導率是硅的2.5倍。用碳化硅材料制作的MOS器件可在大于200度的高溫環(huán)境下工作，具有極低的開關損耗和高頻工作能力，減小模塊的體積和重量，顯著提高系統(tǒng)的效率，有利于節(jié)能降耗，廣泛應用于風光發(fā)電、光伏逆變、UPS儲能、新能源汽車、航天軍工等高科技領域。

SiC 功率模塊

碳化硅功率模塊是全球電力電子器件大型企業(yè)目前重點的發(fā)展方向。碳化硅功率模塊已經(jīng)在一些高端領域實現(xiàn)了初步應用，包括高功率密度電能轉換、高性能電機驅動等等，并具有廣闊的應用前景和市場潛力。在碳化硅功率模塊領域，首先開始研發(fā)的是基于碳化硅功率二極管和硅基IGBT的混合功率模塊。第一個實現(xiàn)商用的采用碳化硅二極管和硅基IGBT的高功率模塊是Infineon公司的PrimePACK產(chǎn)品。隨著碳化硅器件的進步，全碳化硅功率模塊不斷被研發(fā)出來。美國Cree公司報道了阻斷電壓10kV，電流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以通過并聯(lián)模塊得到100A的電流傳輸能力。2009年美國Cree公司與Powerex公司開發(fā)出了雙開關1200V、100A的碳化硅功率模塊，該模塊由耐高壓和大電流的碳化硅的MOSFET器件和碳化硅肖特基二極管組成。2011年，美國U.S. Army Research Laboratory研發(fā)了用20個80A的SiC MOSFET以及20個50A SiC肖特基二極管制作了一個1200V/800A的雙向功率模塊。該模塊用作全橋逆變并與Si器件比較實驗，結果表明功率損耗至少降低40%，在同樣輸出電流等級情況下SiC的模塊可以工作在Si模塊的4倍頻狀態(tài)。該模塊預計用于電動汽車領域。2012年，日本富士電機公司研發(fā)基于SiC MOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模塊。該模塊采用新型無焊線設計、氮化硅陶瓷作襯底制作，可以在200°C高溫工作作，并且類似倒裝芯片的壓接式設計使得該模塊與起傳統(tǒng)的鋁線鍵合模塊相比具有內(nèi)電感低的特點，同時損耗更低，與傳統(tǒng)同功率IGBT模塊相比具有更緊湊的結構，大小約為原先的1/2。2012年日本羅姆公司開始推出全碳化硅功率模塊，這些全碳化硅功率模塊組合了碳化硅MOSFET器件和肖特基二極管，利用高速開關及低損耗的特性，可替換原來額定電流為200～400A的硅基IGBT模塊。因器件散熱性提高，使得裝置的體積縮小了一半，并且發(fā)熱量小，可縮小冷卻裝置，實現(xiàn)裝置的小型化，同時可以將電力轉換時的損耗削減85%以上，大幅削減工業(yè)設備的電力損耗。全碳化硅MOSFET（或JFET）模塊的優(yōu)良特性使它具備在10kV以下的應用中取代硅基IGBT的巨大潛力，取代的速度和范圍將取決于碳化硅材料和器件技術的成熟速度和成本下降的速度。

小結

碳化硅電力電子器件在提高電能利用效率和實現(xiàn)電力電子裝置的小型化方面將發(fā)揮越來越大的優(yōu)勢。碳化硅電力電子器件能提高電能利用的效率，來實現(xiàn)電能損失的減少，因為相對于硅器件，碳化硅器件在降低導通電阻和減小開關損耗等方面具有優(yōu)勢。比如，由二極管和開關管組成的逆變電路中，僅將二極管材料由硅換成碳化硅，逆變器的電能損失就可以降低15～30%左右，如果開關管材料也換成SiC，則電能損失可降低一半以上。利用碳化硅制作的電力電子器件具備三個能使電力轉換器實現(xiàn)小型化的特性：更高的開關速度、更低的損耗和更高的工作溫度。碳化硅器件能以硅器件數(shù)倍的速度進行開關。開關頻率越高，電感和電容等儲能和濾波部件就越容易實現(xiàn)小型化;電能損失降低，發(fā)熱量就會相應減少，因此可實現(xiàn)電力轉換器的小型化;而在結溫方面，硅器件在200°C就達到了極限，而碳化硅器件能在更高結溫和環(huán)境溫度的情況下工作，這樣就可以縮小或者省去電力轉換器的冷卻機構。

隨著碳化硅電力電子器件的技術進步，目前碳化硅器件相對于硅器件，不僅有性能的巨大優(yōu)勢，在系統(tǒng)成本上的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)。根據(jù)美國公司的評估，與使用硅IGBT和硅二極管相比，使用該公司的第2代SiC MOSFET和SiC二極管能夠降低升壓轉換器的總成本。具體來說，通過提高開關頻率來縮小電感器、降低電感器的成本，可使總成本壓縮到比使用Si功率元件時更低的程度。以10kW級的升壓轉換器為例，按照Cree公司估算的結果，如果使用Si功率元件，在20kHz下開關，需要的成本是181.4美元，而使用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驅動的話，成本將分別降至170美元、163美元。使用SiC功率元件有望降低電力轉換器的總成本。

在電力電子器件應用的眾多領域，比如輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力機車、混合動力汽車、各種工業(yè)電機、光伏逆變器、風電并網(wǎng)逆變器、空調(diào)等白色家電、服務器及個人電腦等，碳化硅器件將逐步地展現(xiàn)出其性能和降低系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢。作為下一代電力電子器件的主要方向，碳化硅電力電子器件將為電力電子帶來重要的技術革新，并推動電力電子領域在今后二、三十年的發(fā)展。

來源：壹芯微科

審核編輯 ：李倩