碳化硅二極管的應(yīng)用領(lǐng)域與歷史介紹-詳解碳化硅MOS管分類(lèi)及結(jié)構(gòu)-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-08-30
本文主要是講碳化硅二極管的應(yīng)用領(lǐng)域與歷史介紹，詳解碳化硅MOS管分類(lèi)及結(jié)構(gòu)，是硅與碳的唯一合成物就是碳化硅(SiC)，俗稱(chēng)金剛砂。SiC 在自然界中以礦物碳硅石的形式存在，但十分稀少。不過(guò)，自1893 年以來(lái)，粉狀碳化硅已被大量生產(chǎn)用作研磨劑。碳化硅用作研磨劑已有一百多年的歷史，主要用于磨輪和眾多其他研磨應(yīng)用。
1、LED
電致發(fā)光現(xiàn)象最早于1907 年使用碳化硅發(fā)光二極管(LED) 發(fā)現(xiàn)。很快，第一批商用SiC 基LED 就生產(chǎn)出來(lái)了。20 世紀(jì)70 年代，前蘇聯(lián)生產(chǎn)出了黃色SiC LED，20 世紀(jì)80 年代藍(lán)色LED 在世界范圍內(nèi)廣泛生產(chǎn)。后來(lái)推出了氮化鎵(GaN) LED，這種LED 發(fā)出的光比SiC LED 明亮數(shù)十倍乃至上百倍，SiC LED 也因此幾乎停產(chǎn)。然而，SiC 仍然是常用于GaN 設(shè)備的基底，同時(shí)還用作高功率LED 散熱器。
2、避雷器
達(dá)到閾值電壓(VT) 前，SiC 都具有較高的電阻。達(dá)到閾值電壓后，其電阻將大幅下降，直至施加的電壓降到VT 以下。最早利用該特性的SiC 電氣應(yīng)用是配電系統(tǒng)中的避雷器（如圖）。
由于SiC 擁有壓敏電阻，因此SiC 芯塊柱可連接在高壓電線(xiàn)和地面之間。如電源線(xiàn)遭雷擊，線(xiàn)路電壓將上升并超過(guò)SiC 避雷器的閾值電壓(VT)，從而將雷擊電流導(dǎo)向并傳至地面（而非電力線(xiàn)），因此不會(huì)造成任何傷害。但是，這些SiC 避雷器在電力線(xiàn)正常工作電壓下過(guò)于導(dǎo)電。因而必須串聯(lián)一個(gè)火花隙。當(dāng)雷擊使電源線(xiàn)導(dǎo)線(xiàn)的電壓上升時(shí)，火花隙將離子化并導(dǎo)電，將SiC 避雷器有效地連接在電力線(xiàn)和地面之間。后來(lái)，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)避雷器中使用的火花隙并不可靠。由于材料失效、灰塵或鹽侵等原因，可能出現(xiàn)火花隙在需要時(shí)無(wú)法觸發(fā)電弧，或者電弧在閃電結(jié)束后無(wú)法猝熄的情況。SiC 避雷器本來(lái)是用來(lái)消除對(duì)火花隙的依賴(lài)的，但由于其不可靠，有間隙的SiC 避雷器大多被使用氧化鋅芯塊的無(wú)間隙變阻器所取代。
3、電力電子中的SiC
使用SiC生產(chǎn)的半導(dǎo)體設(shè)備有多種，包括肖特基二極管（也稱(chēng)肖特基勢(shì)壘二極管，或SBD）、J 型FET（或JFET），以及用于大功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用的MOSFET。SemiSouth Laboratories（已于2013 年倒閉）在2008 年推出了第一款商用1200 V JFET，Cree 在2011 年生產(chǎn)了第一款商用1200 V MOSFET。在此期間，一些公司也開(kāi)始嘗試將SiC 肖特基二極管裸芯片應(yīng)用到電力電子模塊中。事實(shí)上，SiC SBD 已廣泛用于IGBT 電源模塊和功率因數(shù)校正(PFC) 電路。
SiC 基電力電子元件如此吸引人的一個(gè)原因就是，在既定阻斷電壓條件下，其摻雜密度比硅基設(shè)備幾乎高出百倍。這樣就可以通過(guò)低導(dǎo)通電阻獲得高阻斷電壓。低導(dǎo)通電阻對(duì)高功率應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)閷?dǎo)通電阻降低時(shí)發(fā)熱少，從而減少了系統(tǒng)熱負(fù)荷并提高了整體效率。
但生產(chǎn)SiC 基電子元器件本身也存在一些難點(diǎn)，消除缺陷成了最重要的問(wèn)題。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致SiC 晶體制成的元器件反向阻斷性能較差。除了晶體質(zhì)量問(wèn)題，二氧化硅和SiC 的接口問(wèn)題也阻礙了SiC 基功率MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體的發(fā)展。幸運(yùn)的是，生產(chǎn)中使用滲氮工藝可使造成這些接口問(wèn)題的缺陷大大降低。
碳化硅仍然在許多工業(yè)應(yīng)用中用作研磨劑。其在電子行業(yè)中主要用作拋光膜，用于在拼接前為光導(dǎo)纖維的兩端拋光。這些膜片能夠給光纖接頭帶來(lái)有效運(yùn)作所需的高光潔度。碳化硅的生產(chǎn)已有一百多年的歷史， 但直到最近才用于電力電子行業(yè)。由于其具備特殊的物理和電氣特性，在高壓和高溫應(yīng)用中十分有用。
1.太陽(yáng)能逆變器
太陽(yáng)能發(fā)電用二極管的基本材料，碳化硅二極管的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于普通雙極二極管(silicon bipolar)技術(shù)。碳化硅二極管導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速度非?？欤覜](méi)有普通雙極二極管技術(shù)開(kāi)關(guān)時(shí)的反向恢復(fù)電流。在消除反向恢復(fù)電流效應(yīng)后，碳化硅二極管的能耗降低70%，能夠在寬溫度范圍內(nèi)保持高能效，并提高設(shè)計(jì)人員優(yōu)化系統(tǒng)工作頻率的靈活性。
2.新能源汽車(chē)充電器
碳化硅二極管通過(guò)汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品測(cè)試，極性接反擊穿電壓提高到650V，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員和汽車(chē)廠商希望降低電壓補(bǔ)償系數(shù) 的要求，以確保車(chē)載充電半導(dǎo)體元器件的標(biāo)稱(chēng)電壓與瞬間峰壓 ，之間有充足的安全裕度 。二極管的雙管產(chǎn)品 ，可最大限度提升空間利用率，降低車(chē)載充電器的重量。
3.開(kāi)關(guān)電源優(yōu)勢(shì)
碳化硅的使用可以極快的切換，高頻率操作，零恢復(fù)和溫度無(wú)關(guān)的行為，再加我們的低電感RP包，這些二極管可以用在任向數(shù)量的快速開(kāi)關(guān)二極管電路或高頻轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。
4.工業(yè)優(yōu)勢(shì)
碳化硅二極管：重型電機(jī)、工業(yè)設(shè)備主要是用在高頻電源的轉(zhuǎn)換器上，可以帶來(lái)高效率、大功率、高頻率的優(yōu)勢(shì)。
一、SiC器件分類(lèi)
SiC-MOSFET
SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國(guó)的Cree公司和日本的ROHM公司。
在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對(duì)于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對(duì)高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。
二、碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)
碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個(gè)關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時(shí)有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長(zhǎng)方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：
SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。
三、碳化硅MOS的優(yōu)勢(shì)
硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時(shí)具備單極型器件的卓越開(kāi)關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開(kāi)關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的工作頻率。
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半， 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢(shì)。
碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。如圖所示，同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路來(lái)說(shuō)（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時(shí)候），這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時(shí)間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪音，便于提高開(kāi)關(guān)工作頻率。
四、碳化硅MOS管的應(yīng)用
碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車(chē)及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢(shì)，可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)設(shè)計(jì)上因器件性能而受到的限制，這是目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開(kāi)發(fā)的混合電動(dòng)汽車(chē)（HEV）、純電動(dòng)汽車(chē)（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開(kāi)發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用SiC MOSFET模塊，功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計(jì)在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)汽車(chē)上。
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