碳化硅器件及其发展现状

1970-01-01 08:00:00 28

碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体,可在更高温度、电压及频率环境正常工作,同时消耗电力更少,持久性和可靠性更强,将为下一代更小体积、更快速度、更低成本、更高效率的电力电子产品提供飞跃的机遇。


碳化硅电力电子器件技术的进步及产业化,将在高压电力系统开辟全新应用,对电力系统变革产生深远影响。碳化硅电力电子器件优异的高效、高压、高温和高频特性,使其在家用电器、电机节能、电动汽车、智能电网、航天航空、石油勘探、自动化、雷达与通信等领域有很大应用潜力。


碳化硅电力电子器件介绍


1. 碳化硅(SiC)的定义


碳化硅(SiC)电力电子器件是指采用第三代半导体材料SiC制造的一种宽禁带电力电子器件,具有耐高温、高频、高效的特性。按照器件工作形式,SiC电力电子器件主要包括功率二极管和功率开关管。功率二极管包括结势垒肖特基(JBS)二极管、PiN二极管和超结二极管;功率开关管主要包括金属氧化物半导体场效应开关管(MOSFET)、结型场效应开关管(JFET)、双极型开关管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)和发射极可关断晶闸管(ETO)等。


2. 技术优势

碳化硅半导体的优异性能使得基于碳化硅的电力电子器件与硅器件相比具有以下突出的优点:


(1)具有更低的导通电阻。在低击穿电压(约50V)下,碳化硅器件的比导通电阻仅有1.12uΩ,是硅同类器件的约1/100。在高击穿电压(约5kV)下,比导通电阻提高到25.9mΩ,却是硅同类器件的约1/300。更低的导通电阻使得碳化硅电力电子器件具有更小的导通损耗,从而能获得更高的整机效率。


(2)具有更高的击穿电压。例如:商业化的硅肖特基二极管通常耐压在300V以下,而首个商业化的碳化硅肖特基二极管的电压定额就已经达到了600V ; 首个商业化的碳化硅MOSFET 电压定额为1200V, 而常用的硅MOSFET大多在1kV以下。


(3)更低的结-壳热阻,使得器件的温度上升更慢。


(4)更高的极限工作温度,碳化硅的极限工作稳定可有望达到600℃以上,而硅器件的最大结温仅为150℃。


(5)更强的抗辐射能力,在航空等领域应用可以减轻辐射屏蔽设备的重量。


(6)更高的稳定性,碳化硅器件的正向和反向特性随温度的变化很小。


(7)更低的开挂损耗。碳化硅器件开关损耗小,在几十千瓦功率等级能够工作在硅器件难以实现的更高开关频率(>20kHz)状态。


3. 主要分类

(1)碳化硅肖特基二极管

肖特基势垒二极管(SBD)作为一种单极性器件,在导通过程中没有额外载流子注入和储存,因而基本没有反向恢复电流,其关断过程很快,开关损耗很小。但是硅的肖特基势垒较低,硅SBD 的反向漏电流偏大,阻断电压较低,只能用于一二百伏的低压场合在电压较高的场合通常采用PiN 二极管,但其反向恢复电流较大,开关损耗大。由于碳化硅材料的临界雪崩击穿电场强度较高,制作反向击穿电压超过1000V的碳化硅SBD 相对比较容易。


基于SiC 的这些独特优势,Cree 等半导体器件商生产出单个器件电流等级1-20A,电压等级为300V、600V 和1200V 的高压SiC 肖特基二极管产品,表1给出了目前国际上主要的碳化硅SBD 制造商和其商业化器件的水平,其中Cree 公司刚刚推出其最新的1700V 电压等级的碳化硅SBD。在高压开关应用中,SiC 肖特基二极管能提供近乎理想的性能。它几乎没有正向恢复电压,因而能够立即导通,不同于结电容,它的储存电荷也非常小,能迅速关断。



(2)碳化硅功率晶体管

美国SemiSouth 公司对碳化硅JFET 进行了深入的研究,是目前国际上商业化碳化硅JFET 器件的主要供应商,其SiC JFET 产品的最高电压定额达到1700V,最大电流定额为30A。


由于硅MOSFET 的优越特性和成功应用,碳化硅MOSFET 成为碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。美国的Cree 公司率先在碳化硅MOSFET 研究方面取得突破,推出了10A/1200V 和20A/1200V 两款商业化的碳化硅 MOSFET 产品,成为目前国际上唯一提供商业化分立碳化硅MOSFET 的厂商。日本的罗姆公司也正在积极推进其碳化硅MOSFET 的商业化进程。这些最初的SiC N 沟道DMOSFET 主要针对1200V 的应用场合,这个电压等级SiC MOSFET比现在的Si 器件具有更大的优势。


02

碳化硅器件在国外的发展现状1. 美国

早在1997年制定的“国防与科学计划”中,美国就明确了宽禁带半导体的发展目标。2014年,奥巴马总统亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟,全力支持宽禁带半导体技术,以引领下一代电力电子制造业的技术创新。该联盟目前已获得联邦和地方政府总计1.4亿美元支持,计划在未来5年里,使宽禁带半导体技术在成本上具有与当前硅基电力电子技术竞争的能力,成为下一代节能、高效大功率电力电子芯片和器件,引领包括消费类电子、工业设备、通讯、清洁能源等在内的,多个全球最大规模、最快增长速度的产业市场,全面提升国际竞争力并创造高薪就业机会。


2. 日本

从1998年开始,日本政府持续资助宽禁带半导体技术研究。2013年,日本将SiC材料体系纳入“首相战略”,认为未来50%的节能要通过SiC器件来实现,以便创造清洁能源的新时代。近几年,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)启动了SiC电力电子器件相关的研究计划,重点针对SiC功率模块在铁路机车电路系统、多样性电力交换系统、发电电动一体涡轮增压机废热回收系统、尖端医疗设备和加速器小型化等领域的应用进行研究,以实现节能、增效的目标。


3. 欧盟

2014年,欧盟启动为期3年(2014—2017年)的,应用于高效电力系统的SiC电力技术研究计划(SPEED),总投入达1858万欧元,7个国家的12家研究机构和企业参与了该计划。该计划目标是通过汇集世界领先的制造商和研究人员来联合攻克SiC电力电子器件技术,突破SiC电力电子器件全产业链的技术瓶颈,实现在可再生能源领域的广泛应用。2015年,德国联邦研究部资助卡尔斯鲁厄理工学院和工业界合作伙伴(资助金额80万欧元),开展基于SiC开关器件提升高频电源能效的研究,以提升工业生产中电源的能效,降低能源消耗和减少CO2排放。03

碳化硅器件在国内的发展现状


1、泰科天润

泰科天润成立于2011年,产品线涉及基础核心技术产品、碳化硅成型产品以及多套行业解决方案,基础核心产品以碳化硅肖特基二极管为代表。


在2015年,泰科天润宣布推出了一款3300V/50A高功率碳化硅肖特基二极管产品。据报道,该产品具有低正向电压降、快开关速度、卓越的导热性能等特性,适用于轨道交通、智能电网等高端领域。


据介绍,3300V/50A高功率碳化硅肖特基二极管工作时的正向压降的典型值为2.22V(IF=50A,Tj=25℃)、4.75V(IF=50A,Tj=175℃);反向漏电流的典型值为120uA(VR=3300V,Tj=25℃)、200uA(VR=3300V,Tj=175℃);在恶劣的电气环境下最大限度地提高可靠性;可在-55℃到175℃温度范围内正常工作。产品可提供未封装的裸芯片,器件封装类型可根据客户要求定制。


2、深圳基本半导体

深圳基本半导体成立于2016年,专注于碳化硅功率器件的研发与产业化,是深圳第三代半导体研究院发起单位之一。深圳基本半导体有限公司长期专注SiC功率器件研发,主要产品包括SiC二极管、SiC MOSFET及车规级全SiC MOSFET模块,广泛应用于新能源发电、新能源汽车、轨道交通和智能电网等领域。


基本半导体在2018年10月正式发布的1200V碳化硅MOSFET,是第一款由中国企业自主设计并通过可靠性测试的工业级产品,各项性能达到国际领先水平,其中短路耐受时间更是长达6μs。


3、扬杰科技

扬杰科技专业致力于功率半导体芯片及器件制造、集成电路封装测试等领域的产业发展,主营产品为各类电力电子器件芯片、功率二极管、整流桥、大功率模块、DFN/QFN产品、SGTMOS及碳化硅SBD、碳化硅JBS等。产品广泛应用于消费类电子、安防、工控、汽车电子、新能源等诸多领域。


扬杰科技官网显示,目前已有的4个碳化硅碳化硅肖特基模块,型号分别是MB200DU01FJ、MB200DU02FJ、MB300U02FJ、MB40DU12FJ,如查看Datasheet可以知道,MB200DU01FJ这个型号,可以应用在电镀电源、高频电源、大电流开关电源、反向电池保护、焊机等场景中。


3、芯光润泽

芯光润泽成立于2016年3月,是一家专业从事第三代半导体SiC功率器件与模块研发和制造的高科技企业。2018年9月18日,芯光润泽国内首条碳化硅智能功率模块(SiCIPM)生产线正式投产,该项目于2016年12月正式开工建设,据了解,该产线投产稳定后,每月生产规模可达30万、每年可达360万颗。公司目前拥有碳化硅产品为碳化硅SBD和碳化硅MOSFET,如XGSCS1230SWA是碳化硅SBD其中一个型号,可以满足电压为1200V的电压需求,适用场景为开关电源、功率因数校正、电力逆变器、不间断电源(UPS)、电机驱动等等。


4、瑞能半导体

瑞能半导体有限公司是由恩智浦半导体与北京建广资产管理有限公司共同投资建立的高科技合资企业。瑞能半导体一直专注于研发行业领先的、广泛且深入的双极功率半导体产品组合,包括可控硅整流器和三端双向可控硅、硅功率二极管、高压晶体管和碳化硅二极管等。公司的碳化硅二极管主要应用在工业、服务器、空调等领域,从官网了解到,瑞能半导体碳化硅二极管型号共有25个,都可以满足电压为650V的需求,如型号NXPSC16650B,可以应用在功率因数校正、开关模式电源、不间断电源(UPS)、光伏逆变器、LED/OLED电视、电机驱动等场景中。


5、上海瞻芯电子

上海瞻芯电子致力于开发以碳化硅功率器件为核心的高性价比功率芯片和模块产品,为电源和电驱动系统的小型化、高效化和轻量化提供完整的半导体解决方案。


2017年10月在一条成熟量产的6英寸工艺生产线上完成碳化硅(SiC)MOSFET的制造流程。晶圆级测试结果表明,各项电学参数达到预期,为进一步完成工艺和器件设计的优化奠定了坚实基础。2018年5月1日,第一片国产6英寸SiC MOSFET晶圆正式诞生。


04

碳化硅器件的典型应用1. 5G基建——通信电源

通信电源是服务器、基站通讯的能源库,为各种传输设备提供电能,保证通讯系统正常运行。碳化硅MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻,电源整体效率更高;碳化硅肖特基二极管反向恢复几乎为零的特性使其在许多PFC电路中具有广阔的应用前景。例如,在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中,使用650V/10A碳化硅肖特基二极管,可以帮助客户实现满载效率大于等于95%的高技术要求。


2. 新能源汽车充电桩——充电桩电源模块

新能源汽车行业的快速发展带动了充电柱的需求增长,对新能源电动汽车而言,提升充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标。在充电桩电源模块中使用碳化硅器件,可以实现充电桩电源模块的高效化和高功率化,进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。


3. 大数据中心、工业互联网——服务器电源

服务器电源是服务器能源库,服务器提供电能,保证服务器系统正常运行。在服务器电源中使用碳化硅功率器件,可以提升服务器电源的功率密度和效率,整体上缩小数据中心的体积,实现数据中心整体建设成本的降低,同时实现更高的环保效率。例如,在3kW服务器电源模块中,在图腾柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以显著提升服务器电源的效率,实现更高的效率要求。


4.特高压——应用柔性输电直流断路器

特高压作为大型系统工程,将催发从原材料和元器件等一系列的需求,而功率器件是输电端特高压直流输电中FACTS柔性输电技术和变电端电力电子变压器(PET)的关键器件。直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一,其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响。使用传统硅基器件设计直流断路器需要多级子单元串联,在直流断路器中使用高电压碳化硅器件可以大大减少串联子单元数量,是行业研究的重点方向。


5. 城际高铁和城际轨道交通——牵引变流器、电力电子变压器、辅助变流器、辅助电源

未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。碳化硅器件可以实现设备进一步高效率化和小型化,在轨道交通方面具有巨大的技术优势。日本新干线N700S已经率先在牵引变流器中使用碳化硅功率器件,大幅降低整车的重量,实现更高的运载效率和降低运营成本。


05

结论虽然碳化硅电力电子器件目前还存在如产量低、价格高、商业化器件种类少和缺乏高温封装等问题,但随着碳化硅电力电子器件技术的研究的不断深入,这些问题将逐渐得到解决,更多更好的商用碳化硅电力电子器件将推向市场,必将大大拓展碳化硅电力电子器件的应用领域。在不久的将来,碳化硅功率器件将成为各种变换器应用领域中减小功率损耗、提高效率和功率密度的关键器件。


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