碳化硅器件及其發展現狀

2020-11-17 15:18:57 來源:

碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導體,可在更高溫度、電壓及頻率環境正常工作,同時消耗電力更少,持久性和可靠性更強,將為下一代更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的電力電子產品提供飛躍的機遇。

碳化硅電力電子器件技術的進步及產業化,將在高壓電力系統開辟全新應用,對電力系統變革產生深遠影響。碳化硅電力電子器件優異的高效、高壓、高溫和高頻特性,使其在家用電器、電機節能、電動汽車、智能電網、航天航空、石油勘探、自動化、雷達與通信等領域有很大應用潛力。

碳化硅電力電子器件介紹

1. 碳化硅(SiC)的定義

碳化硅(SiC)電力電子器件是指采用第三代半導體材料SiC制造的一種寬禁帶電力電子器件,具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式,SiC電力電子器件主要包括功率二極管和功率開關管。功率二極管包括結勢壘肖特基(JBS)二極管、PiN二極管和超結二極管;功率開關管主要包括金屬氧化物半導體場效應開關管(MOSFET)、結型場效應開關管(JFET)、雙極型開關管(BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)和發射極可關斷晶閘管(ETO)等。

2. 技術優勢

碳化硅半導體的優異性能使得基于碳化硅的電力電子器件與硅器件相比具有以下突出的優點:

1)具有更低的導通電阻。在低擊穿電壓(50V)下,碳化硅器件的比導通電阻僅有1.12uΩ,是硅同類器件的約1/100。在高擊穿電壓(5kV)下,比導通電阻提高到25.9mΩ,卻是硅同類器件的約1/300。更低的導通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導通損耗,從而能獲得更高的整機效率。

2)具有更高的擊穿電壓。例如:商業化的硅肖特基二極管通常耐壓在300V以下,而首個商業化的碳化硅肖特基二極管的電壓定額就已經達到了600V ; 首個商業化的碳化硅MOSFET 電壓定額為1200V, 而常用的硅MOSFET大多在1kV以下。

3)更低的結-殼熱阻,使得器件的溫度上升更慢。

4)更高的極限工作溫度,碳化硅的極限工作穩定可有望達到600℃以上,而硅器件的最大結溫僅為150℃。

5)更強的抗輻射能力,在航空等領域應用可以減輕輻射屏蔽設備的重量。

6)更高的穩定性,碳化硅器件的正向和反向特性隨溫度的變化很小。

7)更低的開掛損耗。碳化硅器件開關損耗小,在幾十千瓦功率等級能夠工作在硅器件難以實現的更高開關頻率(>20kHz)狀態。

3. 主要分類

1)碳化硅肖特基二極管

肖特基勢壘二極管(SBD)作為一種單極性器件,在導通過程中沒有額外載流子注入和儲存,因而基本沒有反向恢復電流,其關斷過程很快,開關損耗很小。但是硅的肖特基勢壘較低,硅SBD 的反向漏電流偏大,阻斷電壓較低,只能用于一二百伏的低壓場合在電壓較高的場合通常采用PiN 二極管,但其反向恢復電流較大,開關損耗大。由于碳化硅材料的臨界雪崩擊穿電場強度較高,制作反向擊穿電壓超過1000V的碳化硅SBD 相對比較容易。

基于SiC 的這些獨特優勢,Cree 等半導體器件商生產出單個器件電流等級1-20A,電壓等級為300V、600V 1200V 的高壓SiC 肖特基二極管產品,表1給出了目前國際上主要的碳化硅SBD 制造商和其商業化器件的水平,其中Cree 公司剛剛推出其最新的1700V 電壓等級的碳化硅SBD。在高壓開關應用中,SiC 肖特基二極管能提供近乎理想的性能。它幾乎沒有正向恢復電壓,因而能夠立即導通,不同于結電容,它的儲存電荷也非常小,能迅速關斷。

2)碳化硅功率晶體管

美國SemiSouth 公司對碳化硅JFET 進行了深入的研究,是目前國際上商業化碳化硅JFET 器件的主要供應商,其SiC JFET 產品的最高電壓定額達到1700V,最大電流定額為30A。

由于硅MOSFET 的優越特性和成功應用,碳化硅MOSFET 成為碳化硅電力電子器件研究中最受關注的器件。美國的Cree 公司率先在碳化硅MOSFET 研究方面取得突破,推出了10A/1200V 20A/1200V 兩款商業化的碳化硅 MOSFET 產品,成為目前國際上唯一提供商業化分立碳化硅MOSFET 的廠商。日本的羅姆公司也正在積極推進其碳化硅MOSFET 的商業化進程。這些最初的SiC N 溝道DMOSFET 主要針對1200V 的應用場合,這個電壓等級SiC MOSFET比現在的Si 器件具有更大的優勢。

碳化硅器件在國外的發展現狀

1. 美國

早在1997年制定的國防與科學計劃中,美國就明確了寬禁帶半導體的發展目標。2014年,奧巴馬總統親自主導成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產業聯盟,全力支持寬禁帶半導體技術,以引領下一代電力電子制造業的技術創新。該聯盟目前已獲得聯邦和地方政府總計1.4億美元支持,計劃在未來5年里,使寬禁帶半導體技術在成本上具有與當前硅基電力電子技術競爭的能力,成為下一代節能、高效大功率電力電子芯片和器件,引領包括消費類電子、工業設備、通訊、清潔能源等在內的,多個全球最大規模、最快增長速度的產業市場,全面提升國際競爭力并創造高薪就業機會。

2. 日本

1998年開始,日本政府持續資助寬禁帶半導體技術研究。2013年,日本將SiC材料體系納入首相戰略,認為未來50%的節能要通過SiC器件來實現,以便創造清潔能源的新時代。近幾年,日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)啟動了SiC電力電子器件相關的研究計劃,重點針對SiC功率模塊在鐵路機車電路系統、多樣性電力交換系統、發電電動一體渦輪增壓機廢熱回收系統、尖端醫療設備和加速器小型化等領域的應用進行研究,以實現節能、增效的目標。

3. 歐盟

2014年,歐盟啟動為期3(2014—2017)的,應用于高效電力系統的SiC電力技術研究計劃(SPEED),總投入達1858萬歐元,7個國家的12家研究機構和企業參與了該計劃。該計劃目標是通過匯集世界領先的制造商和研究人員來聯合攻克SiC電力電子器件技術,突破SiC電力電子器件全產業鏈的技術瓶頸,實現在可再生能源領域的廣泛應用。2015年,德國聯邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學院和工業界合作伙伴(資助金額80萬歐元),開展基于SiC開關器件提升高頻電源能效的研究,以提升工業生產中電源的能效,降低能源消耗和減少CO2排放。

碳化硅器件在國內的發展現狀

1、泰科天潤

泰科天潤成立于2011年,產品線涉及基礎核心技術產品、碳化硅成型產品以及多套行業解決方案,基礎核心產品以碳化硅肖特基二極管為代表。

2015年,泰科天潤宣布推出了一款3300V/50A高功率碳化硅肖特基二極管產品。據報道,該產品具有低正向電壓降、快開關速度、卓越的導熱性能等特性,適用于軌道交通、智能電網等高端領域。

據介紹,3300V/50A高功率碳化硅肖特基二極管工作時的正向壓降的典型值為2.22VIF=50A,Tj=25℃)、4.75VIF=50A,Tj=175℃);反向漏電流的典型值為120uAVR=3300V,Tj=25℃)、200uAVR=3300V,Tj=175℃);在惡劣的電氣環境下最大限度地提高可靠性;可在-55℃175℃溫度范圍內正常工作。產品可提供未封裝的裸芯片,器件封裝類型可根據客戶要求定制。

2、深圳基本半導體

深圳基本半導體成立于2016年,專注于碳化硅功率器件的研發與產業化,是深圳第三代半導體研究院發起單位之一。深圳基本半導體有限公司長期專注SiC功率器件研發,主要產品包括SiC二極管、SiC MOSFET及車規級全SiC MOSFET模塊,廣泛應用于新能源發電、新能源汽車、軌道交通和智能電網等領域。

基本半導體在201810月正式發布的1200V碳化硅MOSFET,是第一款由中國企業自主設計并通過可靠性測試的工業級產品,各項性能達到國際領先水平,其中短路耐受時間更是長達6μs。

3、揚杰科技

揚杰科技專業致力于功率半導體芯片及器件制造、集成電路封裝測試等領域的產業發展,主營產品為各類電力電子器件芯片、功率二極管、整流橋、大功率模塊、DFN/QFN產品、SGTMOS及碳化硅SBD、碳化硅JBS等。產品廣泛應用于消費類電子、安防、工控、汽車電子、新能源等諸多領域。

揚杰科技官網顯示,目前已有的4個碳化硅碳化硅肖特基模塊,型號分別是MB200DU01FJ、MB200DU02FJ、MB300U02FJ、MB40DU12FJ,如查看Datasheet可以知道,MB200DU01FJ這個型號,可以應用在電鍍電源、高頻電源、大電流開關電源、反向電池保護、焊機等場景中。

3、芯光潤澤

芯光潤澤成立于20163月,是一家專業從事第三代半導體SiC功率器件與模塊研發和制造的高科技企業。2018918日,芯光潤澤國內首條碳化硅智能功率模塊(SiCIPM)生產線正式投產,該項目于201612月正式開工建設,據了解,該產線投產穩定后,每月生產規?蛇_30萬、每年可達360萬顆。公司目前擁有碳化硅產品為碳化硅SBD和碳化硅MOSFET,如XGSCS1230SWA是碳化硅SBD其中一個型號,可以滿足電壓為1200V的電壓需求,適用場景為開關電源、功率因數校正、電力逆變器、不間斷電源(UPS)、電機驅動等等。

4、瑞能半導體

瑞能半導體有限公司是由恩智浦半導體與北京建廣資產管理有限公司共同投資建立的高科技合資企業。瑞能半導體一直專注于研發行業領先的、廣泛且深入的雙極功率半導體產品組合,包括可控硅整流器和三端雙向可控硅、硅功率二極管、高壓晶體管和碳化硅二極管等。公司的碳化硅二極管主要應用在工業、服務器、空調等領域,從官網了解到,瑞能半導體碳化硅二極管型號共有25個,都可以滿足電壓為650V的需求,如型號NXPSC16650B,可以應用在功率因數校正、開關模式電源、不間斷電源(UPS)、光伏逆變器、LED/OLED電視、電機驅動等場景中。

5、上海瞻芯電子

上海瞻芯電子致力于開發以碳化硅功率器件為核心的高性價比功率芯片和模塊產品,為電源和電驅動系統的小型化、高效化和輕量化提供完整的半導體解決方案。

201710月在一條成熟量產的6英寸工藝生產線上完成碳化硅(SiC)MOSFET的制造流程。晶圓級測試結果表明,各項電學參數達到預期,為進一步完成工藝和器件設計的優化奠定了堅實基礎。201851日,第一片國產6英寸SiC MOSFET晶圓正式誕生。

碳化硅器件的典型應用

1. 5G基建——通信電源

通信電源是服務器、基站通訊的能源庫,為各種傳輸設備提供電能,保證通訊系統正常運行。碳化硅MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕,電源整體效率更高;碳化硅肖特基二極管反向恢復幾乎為零的特性使其在許多PFC電路中具有廣闊的應用前景。例如,在3kW高效通信電源無橋交錯PFC電路中,使用650V/10A碳化硅肖特基二極管,可以幫助客戶實現滿載效率大于等于95%的高技術要求。

2. 新能源汽車充電樁——充電樁電源模塊

新能源汽車行業的快速發展帶動了充電柱的需求增長,對新能源電動汽車而言,提升充電速度和降低充電成本是行業發展的兩大目標。在充電樁電源模塊中使用碳化硅器件,可以實現充電樁電源模塊的高效化和高功率化,進而實現充電速度的提升和充電成本的降低。

3. 大數據中心、工業互聯網——服務器電源

服務器電源是服務器能源庫,服務器提供電能,保證服務器系統正常運行。在服務器電源中使用碳化硅功率器件,可以提升服務器電源的功率密度和效率,整體上縮小數據中心的體積,實現數據中心整體建設成本的降低,同時實現更高的環保效率。例如,在3kW服務器電源模塊中,在圖騰柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以顯著提升服務器電源的效率,實現更高的效率要求。

4.特高壓——應用柔性輸電直流斷路器

特高壓作為大型系統工程,將催發從原材料和元器件等一系列的需求,而功率器件是輸電端特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術和變電端電力電子變壓器(PET)的關鍵器件。直流斷路器作為柔性直流輸電的關鍵部分之一,其可靠性對整個輸電系統的穩定性有著較大影響。使用傳統硅基器件設計直流斷路器需要多級子單元串聯,在直流斷路器中使用高電壓碳化硅器件可以大大減少串聯子單元數量,是行業研究的重點方向。

5. 城際高鐵和城際軌道交通——牽引變流器、電力電子變壓器、輔助變流器、輔助電源

未來軌道交通對電力電子裝置,比如牽引變流器、電力電子電壓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這些裝置的功率密度和工作效率,將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統。碳化硅器件可以實現設備進一步高效率化和小型化,在軌道交通方面具有巨大的技術優勢。日本新干線N700S已經率先在牽引變流器中使用碳化硅功率器件,大幅降低整車的重量,實現更高的運載效率和降低運營成本。

結論

雖然碳化硅電力電子器件目前還存在如產量低、價格高、商業化器件種類少和缺乏高溫封裝等問題,但隨著碳化硅電力電子器件技術的研究的不斷深入,這些問題將逐漸得到解決,更多更好的商用碳化硅電力電子器件將推向市場,必將大大拓展碳化硅電力電子器件的應用領域。在不久的將來,碳化硅功率器件將成為各種變換器應用領域中減小功率損耗、提高效率和功率密度的關鍵器件。

來源:多電新視野

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