SiC电力电子器件的发展及其应用概述

黄 帅

（贵州铜仁学院物理与电子工程学院，贵州铜仁，554300）

电力电子技术的诞生是以晶闸管的出现为标志的，截至目前，电力电子器件的发展已经经历60多年的发展，历史表明每一次电力电子功率器件的革新都会引发工业界的一场技术革命。在上个世纪90年代开始以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料及其功率半导体器件开始得到了快速发展。SiC与Si材料相比，具有3倍以上的禁带宽度，3倍以上的热导率且其结温达250℃，10倍以上的击穿电压和2倍以上的载流子饱和速度[1]，具有很强的环境适应能力，被认为是适合于在-75－550℃范围内工作的高功率器件的材料[2]。经过20多年的快速发展，SiC材料理论及其生产制造工艺都得到了不断发展和完善。基于SiC的各种功率器件被开发出来[3-7]。而SiC基的JBS（Junction Barrier Schottky）二极管和额定电压为600-1700V功率开关器 件，如 MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）, JEFT(Junction Field Effect Transistor）,BJT(Bipolar junction Transistor）等，都也已经得到商品化[8,9]。基于商品化的SiC基的功率半导体器件的电力模块也得到了广泛的开发和研究。

电力电子器件的损耗既是整个电力电子装置损耗的主要组成部分，又对整体系统的效率和成本有着很大的影响。电子电子器件的损耗主要包括导通耗损和开关耗损两个部分，前者主要是由电力电子器件的通态电阻决定的，后者则主要是由驱动回路和器件本身的电感、电容等参数决定。SiC基的电力电子器件由于其垂直有源层比Si基器件薄很多，因而其导通电阻很低，因此导通损耗比较低。相对于Si基器件而言，SiC基的电力电子器件的损耗优势在于其非常低的开关损耗。本文将从开关损耗的角度，对SiC基的JBS二极管、JEFTs、BJTs和MOSFETs的特性和应用作简要概述。

1 SiC基JBS 二极管的特性和应用

SiC基JBS 二极管的剖面结构如1所示，其阳极（Anode）可以采用Ti作为肖特基金属，阴极（Cathode）则可以采用硅化的Ni。JBS 二极管是实用化程度最高的SiC基电力电子器件。但由于是一种不可控的电力电子器件，二极管在电力电子模块中主要是和其他的开关器件作反并联使用。与Si基耐高压的PIN二极管相比而言，SiC基JBS 二极管是一种多子器件，工作时在结处不存在少数载流子的积累，因此在电子开关关断的过程中就没有反向恢复电流，可以减小关断损耗，同时在开通过程中也能减小与之并联的开关器件的损耗。W.Erdman等人在2.3MW中压三级风能变换器的应用设计中，采用SiC基JBS二极管模块取代4.5-kV的Si基PIN二极管，而功率开关器件仍采用Si基IGBT，使变换器的开关损耗减小了10kW数量级[10]。而当SiC基JBS二极管和其它的SiC基电力电子器件一起使用时，将获得更大的开关损耗降低。

现有SiC基电力电子器件都是基于4H-SiC制造的，但其制备温度高，成本大，难以获得大尺寸的基片，使SiC基电力电子器件在中低压范围内相对于Si基IGBT和PID二极管而言，并无明显优势。因此，F.Li等人也研究了基于3C-SiC材料横向结构的二极管[11]。

2 SiC基MOSFET的特性和应用

众所周知，MOSFET是一种单极性器件，特别适合于工作在高频率开关变换系统中。当前电力电子变化系统中应用最为广泛的Si基IGBT器件的开关频率只有10-20kHz，因为随着开关频率的进一步增加，其开关损耗会急剧增加。SiC 基的MOSFET由于没有拖尾电流和更低的开关损耗，使其可工作在比Si基IGBT更高的频率范围内，可达几百kHz。

SiC基MOSFET的一种典型的剖面结构如图2所示[12]，其制备过程中的关键因素是对JD区域的掺杂控制和栅极氧化物绝缘层与4H-SiC表面之间的处理。JD的区域的掺杂控制不仅影响整个器件的导通电阻，而且对导通电阻的温度系数也有非常大的影响，进而对器件的损耗特性产生影响。栅极氧化物绝缘层与4H-SiC表面之间的处理则关系到MOSFET器件的成败[1,13]。在氧化物绝缘层与4H-SiC表面很难获得完美的表面，通常在4H-SiC表面存在较大的界面态密度，这些界面态会俘获表面导电沟道内的载流子，限制了表面载流子的迁移率，使得导通电阻非常大，进而限制了MOSFET器件的实际应用。目前，常用的表面处理方法为在Al2O3和4H-SiC之间增加一薄层SiO2，使界面性能得到较好的改进，也使得SiC 基MOSFET得以商业化。

基于SiC基MOSFET的电力电子变换系统也得到了深入地研究，与基于Si基IGBT的变换系统相比，在100-200kHz的高频范围内，获得了50%以上的开关损耗降低[14,15]。尽管如此，SiC基MOSFET的高频开关过程会出现较大的电压或电流过冲，或者产生高频振荡，从而给器件较大的电应力，或者产生EMI（Electric Magnetic Interference）问题。且与Si器件相比，由于其具有较高的di/dt、dV/dt能力，SiC基MOSFET开关特性更敏感的依赖于其寄生参数。栅极驱动最大电流、栅极电阻、开关回路的杂散电感以及共源电感都会影响到SiC基MOSFET的高频开关特性。为此，围绕SiC基MOSFET的高频驱动问题，也有很多研究工作得到了开展[16-18]。

图2 SiC基MOSFET的剖面结构

随着SiC基MOSFET制备技术的改进和驱动问题的解决，其将在电力电子的高频开关领域得到广泛地应用。

3 SiC基JFET的特性和应用

SiC基JFET也是一种耐高压的单极性器件，导通电阻低，具有比Si基IGBT更高的工作频率。其器件结构较SiC基MOSFET简单，制备工艺更为完备，是目前SiC基器件中得到最为广泛应用的全控器件。它也是电压控制型器件，有常开和常闭两种基本类型。

目前SiC基JFET在应用中存在以下问题：1）由于4H-SiC材料制备需要经过达2000℃的高温处理，其单片尺寸只能做到6英寸[11]，因此单片4H-SiC制成的JFET功率负荷有限，在大功率电力电子变化系统中就需要将多个分离的JFET器件并联使用，各个器件的参数很难匹配，这会引起并联驱动的问题[19,20]；2）由于SiC基JFET的导通电阻是通过减小有源层厚度获得的，因此其寄生参数都较大，并会对开关特性产生影响，这对于其高频驱动同样会带来问题；3）对于常闭型JFET，若要获得较低的开通电阻，栅极需要较大的驱动电流，这会增加其损耗。

4 SiC基BJT的特性和应用

SiC基BJT是一种双极型器件，最大的特点在于其导通电阻低，能达到2.3mΩ·cm2，是现有SiC基电力电子器件中最低的。但其是电流驱动型器件，开通时需要持续给基极提供电流，从而使其损耗较大。同样由于受到材料芯片尺寸的限制，也存在多个分离器件并联的驱动问题[21]。

5 结语

通过上述分析，可以发现，SiC电力电子器件虽已有商业化的器件供应，但受限于大尺寸4H-SiC芯片的制备，其单个的器件很难做到足够大的额定功率。在实际高电压、高功率和高频率的电力电子变换系统中的应用，都需要将多个分离的SiC基分离器件并联使用，这就使得在并联驱动方面或多或少的都存在一些问题。随着材料制备技术的完善和器件驱动技术改进，SiC电力电子器件将会得到更为广泛地应用。

[1]M.Nawaz, “On the Evaluation of Gate Dielectrics for 4H-SiC Based Power MOSFETs,”Active and Passive Electronic Components,vol.2015,651527,2015.

[2]M.Nawaz,C.Zaring,J.Bource et al.,“Assessment of high and low temperature performance of SiC BJTs,”Materials Science Forum,vol.615–617,pp.825–828,2009.

[3]L.Zhu and T.P.Chow,“Advanced high-voltage 4H-SiC Schottky rectifiers,”IEEE Transactions on Electron Devices,vol.55,no.8,pp.1871–1874,2008.

[4]M.Usman,M.Nawaz,and A.Hallen,“Position-dependent bulk traps and carrier compensation in 4H-SiC bipolar junction transistors,”IEEE Transactions on Electron Devices,vol.60,no.1,pp.178–185,2013.

[5]Y.Li,P.Alexandrov,and J.H.Zhao,“1.88-mΩ-cm2 1650-V normally on 4H-SiC TI-VJFET,”IEEE Transactions on Electron Devices,vol.55,no.8,pp.1880–1886,2008.

[6]H.Ö.Ólafsson,G.Gudjónsson,P.-Å.Nilsson et al.,“High field effect mobility in Si face 4H-SiC MOSFET transistors,”Electronics Letters,vol.40,no.8,pp.508–510,2004.

[7]Q.Zhang,M.Das,J.Sumakeris,R.Callanan,and A.Agarwal,“12-kV p-channel IGBTs with low onresistance in 4H-SiC,”IEEE Electron Device Letter s,vol.29,no.9,pp.1027–1029,2008.

[8]Cree.:Cree Z-FET Silicon Carbide MOSFET and Z-Rec Silicon Carbide Schottky Diode.2014[cited 2014 22nd April];Available from:http://www.cree.com/Power/Products.

[9]Infineon.:CoolSiC 1200V SiC JFET & Direct Drive Technology.2014 [cited 2014 22nd April];Available from:http://www.infineon.com/cms/en/product/power/sicarbidesic/channel.html?channel=ff80808112ab681d 0112ab6a50b304a0.

[10]W.Erdman,J.Keller,D.Grider and E.VanBrunt,“A 2.3-MW Medium-Voltage,Three-level Wind Energy Inverter Applying a Unique Bus Structure and 4.5-kV Si/SiC Hybrid Isolated Power Moudules”,http://www.osti.gov/scitech.

[11]F.Li,Y.Sharma,and M.Jennings et.al.,“Study of a novel lateral RESURF 3C-SiC on Si Schottky diode”,http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/eng/research/energyconversion/peater/.

[12]K.Hamada,S.Hino and N.Miura et.al.,”3.3 kV/1500A power modules for the world’s first all-SiC traction inverter,”Japanese Journal of Applied Physics 54,04DP07(2015).

[13]H.Yoshioka,J.Senzaki and A.Shimozato et.al.,“N-channel field-effect mobility inversely proportional to the interface state density at the conduction band edges of SiO2/4H-SiC interfaces,”AIP ADVANCES 5,017109,2015.

[14]P.Ranstad,H.Nee,J.Linnér,D.Peftitsis,“An Experimental Evaluation of SiC Switches in Soft-Switching Converters,IEEE TRANSACTIONS ON POWER EL ECTRONICS,”Vol.29,No.5,2527-2538,2014.

[15]M.R.Ahmed,G.Calderon-Lopez,and F.Bryan et.al.,“Soft-Switching SiC Interleaved Boost Converter,”IEE Applied Power Electronics Conference and Expos ition(APEC),pp.941-947,2015.

[16]Helong Li,Stig Munk-Nielsen.Detail study of SiC MOSFET Switching Characteristics.http://www.researchgate.net/publication/268196109_Detail_study_of_SiC_MOSFET_switching_characteristics.

[17]Helong Li,Stig Munk-Nielsen.Challenges in Switching SiC MOSFET without Ringing.http://www.researchgate.net/publication/270821559_Challenges_in_Switching_SiC_MOSFET_without_Ringing.

[18]H.Riazmontazer and S.K.Mazumder,“Optically Switched-Drive-Based Unified Independent dv/dt and di/dt Control for Turn-Off Transition of Power MOSFETs,”IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,Vol.30,No.4,2338-2349,2015.

[19]J.Colmenares,D.Peftitsis and J.Rabkowski,et.al.,“Dual-Function Gate Driver for a Power Module With SiC Junction Field-Effect Transistors,”IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,Vol.29,No.5,pp.2367-2379,2014.

[20]D.Peftitsis,J.Rabkowski and H.-P.Nee,“Self-Powered Gate Driver for Normally-ON SiC JFETs:Design Consideration and System Limitations,”IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,Vol.29,No.10,pp.5129-5135,2014.

[21]J.Rabkowski,D.Peftitsis and H.-P.Nee,“Parallel-Operation of Discrete SiC BJTs in a 6-kW/250-kHz DC/DC Boost Converter,”IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,Vol.29,No.5,2482-2491,2014.