新一代SiC功率器件及其在逆变焊机中的应用

王振民，王鹏飞

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）

新一代SiC功率器件及其在逆变焊机中的应用

王振民，王鹏飞

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）

目前逆变焊机普遍采用的Si基功率器件的性能已接近由其材料特性决定的理论极限，依靠Si基功率器件继续完善和提高逆变焊机性能的潜力已十分有限。SiC是一种革命性的宽禁带半导体材料，是下一代功率半导体材料的重点发展方向。介绍了新型SiC材料的特性及其功率器件的类型、原理和特点；对比分析SiC和普通Si基功率器件的性能；在此基础上探讨将SiC功率器件应用于逆变焊机的优势；分析和展望SiC功率器件在新一代逆变焊机中的应用前景。

SiC；逆变焊机；功率器件；宽禁带半导体

0 前言

焊接作为国家工业发展的重要支柱，是提升我国制造业国际竞争力，成为引领世界制造业发展的制造强国，实现“中国制造2025”规划的重要一环。焊机为焊接电弧提供能量，其性能优劣直接影响到焊接工艺质量。目前，逆变焊机已成为电焊机的主流成品，并朝着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化等方向发展[1]。逆变焊机的功率器件（包括MOFET、IGBT、SBD、FRD等）普遍采用Si半导体器件。这些Si功率器件的开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近由其材料特性决定的理论极限，依靠Si功率器件继续完善和提高弧焊逆变电源性能的潜力已十分有限，迫切需要依靠新材料来满足新一代逆变焊机对器件性能的更高要求。

新型半导体材料和器件的研究与突破，常常带来新的技术革命和新兴产业的发展。以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体材料拥有传统Si基半导体材料难以比拟的优异性能，在实际应用中能够给逆变焊机系统注入新的活力，对研制出具备紧凑体积、耐高温、高功率密度、耐高压、抗辐射以及高性价比等性能的新一代高性能逆变焊机，推动整个焊接设备的更新换代和焊接行业的发展具有重要意义。本研究介绍目前已经开始商业化应用的SiC功率器件的特点、分类以及应用于逆变焊机时的特点与优势，展望了宽禁带SiC在新一代逆变焊机中的应用和推广。

1 SiC功率半导体器件发展现状

如今，Si材料特性已基本被人们研究透彻，采用Si基功率半导体器件作为逆变电源的功率开关，其性能的提升已到达一个瓶颈。为进一步提高开关电源的效率，并且拥有更高的耐压和更快的开关速度，引入新的更加优良的半导体材料已是当务之急。宽禁带SiC半导体是一种革命性的电力电子材料，它的带隙远大于Si半导体，能够显著减少电子跨越的鸿沟，更容易控制电流和减少能源损耗。

2014年，奥巴马政府宣布正式成立“下一代电力电子制造创新学院”NGPEMII（NextGenerationPower ElectronicsManufacturingInnovationInstitute）；美国能源部将在5年内投资7 000万美元，推动NGPEMII致力于发明和制造具有成本竞争力及比现有硅技术强大10倍的WBG半导体电力电子器件[2]。日本政府则将发展SiC半导体技术列入“首相计划”，日本产业技术综合研究所、京都大学、电力中央研究所以及一些大型日企在SiC方面开展了大量研究工作，并且推出了系列SiC产品[3]。欧盟的SiC晶体生长工艺装备制造商集中在德国、瑞典和英国，目前主要生产3英寸的工艺装备；英国军方推出了Sceptre计划；德国英飞凌、SiCED等公司也在SiC产品方面占据一定市场[4]。

在国内，为了打破技术封锁，我国早在2004年就启动了与宽禁带半导体相关的“973”“国家重大基础项目研究”等科研项目，由中国电子科技集团公司、中科院等研究所以及国内相关高校参与了相关材料与器件研究工作，在SiC器件工艺与产品链等方面均取得了良好的成效[5]。

1.1 SiC材料特性

作为一种宽禁带半导体材料，SiC正逐渐成为功率半导体未来发展的新趋势。这种材料不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点[6]。具体来看，其导热性能是Si材料的3倍以上；在相同反电压下，SiC材料的击穿电场强度比Si材料高10倍，而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃，而Si器件最高工作温度不超过200℃。常见半导体材料的一些物理参数如表1所示[7]。由表1可知，SiC材料优良的耐受能力和稳定性使得其在高温半导体器件方面拥有不可比拟的强大优势，使得SiC材料特别适合应用于大功率半导体器件。

表1 常用半导体材料物理特性参数对比Tab.1Physical characteristic parameters comparison of commonly used semiconductor materials

1.2 SiC功率二极管

SiC功率二极管主要有三种类型：肖特基二极管（Schottky barrier diode，SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（junction barrier Schottky，JBS）。SiC和Si功率管的一些参数如表2所示。

以SiC肖特基二极管为例，它是速度最快的高压肖特基二极管，无需反向恢复充电，可大幅降低开关损耗、提高开关频率，适用于比采用Si材料的肖特基二极管高得多的操作电压范围[8]。例如，600V SiC肖特基二极管可以用在交换模式开关电源（SMPS）中；300 V SiC肖特基二极管可以用作48～60 V快速输出开关电源的整流二极管；而1 200 V SiC肖特基二极管与硅IGBT组合后可以作为理想的续流二极管。

表2 SiC和Si功率管的主要参数Tab.2Main parameters of Si and SiC power tube

PiN二极管有着耐高压、低漏电、正向电流大、低导通损耗的优点。而且SiC的击穿电压远大于Si，因而在相同的耐压下，P-i-N结构中i层漂移区的掺杂浓度可以高很多、厚度方面也薄很多，可以得到更低的正向电压[9]，在器件性能方面比Si材料器件更加优越。

SiC结势垒肖基特二极管作为单极性器件，结合了肖特基二极管优良的开关特性和PiN二极管高耐压、低漏电的特点。与PiN二极管相比，具有低开启电压无反向恢复等优点，并且有效地解决了肖基特二极管的反向耐压问题[10]。具有高耐压、大电流密度、正向压降小、高温漏电小、启动电压小、开关速度快等显著特点，是目前较理想的高频整流器件。

1.3 SiC MOSFET管

MOSFET管是典型的三端电压控制型开关器件（双极型晶体管是三端电流控制型开关器件），在开关电源电路中，MOSFET管的使用与双极性晶体管类似。SiC在制作MOSFET器件方面比其他宽禁带半导体更具有优势，因为SiC能够通过热氧化形成二氧化硅绝缘介质[11-12]。早期的SiC MOSFET管也存在很多问题，如沟道电子迁移率低、开启电压不稳定、高温工作可靠性不高等，这些问题都与氧化层界面有关。SiC MOSFET作为新型的半导体功率元器件，最明显的优点是驱动电路非常简单且与现有的功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驱动电路兼容，SiC功率MOSFET面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。SiC MOSFET二极管恢复测试电路如图1所示，测试电路中二极管恢复波形如图2所示[13]。

图1 二极管恢复测试电路Fig.1Body diode recovery test circuit

图2 二极管恢复波形Fig.2Body diode recovery waveform

1.4 SiC IGBT

绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）是由MOSFET管和双极型晶体管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。SiC IGBT相比普通的IGBT开关损耗可降低85％，与传统的Si-IGBT模块相替换时，体积可减小约50％，更适用于高频工作且损耗更低，因此发热更少，有利于减小散热装置体积，使系统结构更加紧凑，实现整体设备的小型化。

由于受到工艺技术的制约，全SiC IGBT功率模块的发展较晚。高压SiC IGBT和SiC MOSFET器件面临着两个急需解决的问题：沟道缺陷导致的可靠性以及电子迁移率问题[13-14]。SiC IGBT器件的优势应用范围为10 kV以上的高压领域。在这种场合下，SiC MOSFET器件通态电阻过高的问题较为明显，但在10 kV以下的应用中，SiC IGBT相对于SiC MOSFET的优势就没那么明显。在15kV以上的应用领域，SiC IGBT综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于SiC MOSFET以及Si基IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势。

1.5 SiC器件应用现状

由于制造工艺及设备的原因，SiC器件的价格相对较高，极大地限制了它的推广应用，最早只是在电力电子、军工等对价格不是特别敏感的领域得到应用。最近几年，SiC功率器件的价格不断走低，已逐步展现出其在性能和降低系统成本方面的巨大优势。由于优异的综合产品性能，SiC功率器件已经在输电系统、配电系统、风电并网逆变器、光伏逆变器等领域得到推广应用，并在电力机车、混合动力汽车、各种工业电机等产品行业领域得到高度重视，在空调等白色家电、服务器及个人电脑等方面也得到了越来越多的厂家的青睐[15]。

2 SiC功率器件在逆变焊机中的应用与展望

2.1 功率器件与逆变焊机的更新换代

20世纪70年代初，由晶闸管（SCR）构成的可控整流式电焊机的出现标志着现代电力电了技术开始进入焊接电源设备领域。20世纪70年代～80年代，性能优良的自关断电力电子开关器件（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）等相继出现[16]。这些功率器件的出现不仅带动了电力电子行业的发展，也推动了电焊机的更新换代。目前，在中大功率应用场合，IGBT逆变焊机已经成为工业电焊机的主流产品；而在中小功率应用场合，MOSFET逆变焊机得到了广泛的应用。这些逆变焊机普遍采用Si基功率器件，性能更为优良的SiC功率器件的出现，将推动新一代逆变焊机的发展。

2.2 Si基开关管与SiC开关管特性对比

2.2.1导通电阻特性

SiC MOSFET和普通MOSFET导通电阻特性如图3、图4所示[13，18]。由图可知，正常情况下SiC功率管的导通电阻要低于Si管，当温度从25℃升到125℃时，SiC管的导通电阻增长了62％，而普通Si管的导通电阻增长了将近100％。SiC功率管的导通电阻具有正温度系数，饱和导通时易于并联使用。

图3 SiC MOSFET导通电阻特性Fig.3On resistance characteristics of SiC MOSFET

图4 Si MOSFET导通电阻特性Fig.4On resistance characteristics of SiC MOSFET

此外，SiC功率管应用在高压领域时的导通损耗远小于Si功率管，可进一步提高能量的转换效率。

2.2.2开启电压特性

Si和SiC开启电压和结温的关系如图5所示[13，18]。由图可知，在同等产品规格条件下，SiC功率管的开启电压小于Si功率管的开启电压；栅源极电压随着结温的上升而减小，125℃时SiC MOSFET的开启电压最低仅为1.25 V，普通Si MOSFET则需要3.6V。

图5 Si/SiC MOSFET开启电压特性Fig.5Gate threshold voltage of Si/SiC MOSFET

由于SiC功率器件的开关速度更快，因此在大功率和性能要求比较高的场合，驱动电路的设计对SiC MOSFET的可靠性和系统的性能有至关重要的影响。在设计驱动电路时需要防止其他信号干扰造成功率管的误开通，尤其是在高频开关应用中，关断速度过快容易导致较大的振铃现象，从而造成功率管的误开通[17]。此外，SiC MOSFET的开启电压均具有正的温度系数，高温场合使用时需采取相应的措施以确保功率管可靠关断。

2.2.3功率管抗雪崩击穿能力

击穿现象往往对晶体管特性起着破坏性作用，决定了晶体管的最高工作电压。引起雪崩击穿的三种电流分别为漏电流、位移电流、雪崩电流，这三者在理论上都会激活寄生晶体管导通。寄生晶体管导通使MOSFET由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态，从而发生雪崩击穿。从表3的数据（EAS、EAR）可以分析功率管的抗雪崩能力：SiC能承受的最大单脉冲雪崩能量EAS（SiC）≈EAS（Si）；最大重复脉冲雪崩能量EAR（SiC）>>EAR（Si）。整体来看，SiC功率管相比Si功率管具有更突出的抗雪崩击穿能力。

表3 SiC和Si器件抗雪崩击穿能力Tab.3Anti-breakdown capability of SiC and Si device

2.2.4开关时间和开关损耗特性

开通过程中，因为有输入电容存在，会存在一个充电过程。当UGS=Ut时，开始出现id，id随着UGS上升而上升，开通时间为

关断过程中，栅极输入电容上的电荷先放电。当电压下降到UGSP之后，如果电压继续下降id将减小，随后UGS继续下降，id也随着下降。关断时间为

由表4可知，SiC材料的功率管开通和关断时间比Si材料的功率管要小很多，可以显著提高器件的开关速度，在开关过程中输入电容需要充放电，所以需要一定的驱动功率，而且工作速度越快，所需要的驱动功率越大[18]。

表4 SiC和Si器件开通关断时间Tab.4Switching time of SiC and Si device

SiC与Si功率器件的开关损耗如表5所示。SiC功率管较Si功率管在总开关损耗和开关时间上均有较大的降低。可见，SiC功率管更适合高压高频应用领域，有利于增加开关频率、降低系统损耗、减小变换器中无源器件的体积和成本。

表5 SiC与Si器件开关损耗对比Tab.5Switching loss of SiC and Si device

2.3 SiC功率器件对逆变焊机性能的提升

目前市场中的主流逆变焊机普遍采用Si基功率器件。如果采用新一代宽禁带SiC功率器件来替换现用的Si功率器件，将能够极大地提升逆变焊机的综合性能，具体体现在以下几点：

（1）逆变频率更高，动态性能更好。逆变焊机的基本特点是工作频率高。SiC功率器件具备优异的动态特性，并且在开关瞬态过程基本不存在电导调制效应，在同等工况下，SiC开关管的开关频率可以比Si基功率管更高。随着逆变频率的提高，逆变焊机可以采用更小的滤波电抗，主电路的时间常数更小，使得逆变焊机的动态性能更好，对焊接工艺过程的精细控制成为可能。

（2）能效更高。全SiC模块的动态损耗非常低：SiC MOSFET的开关损耗是Si IGBT的1/4，普通二极管比SiC肖特基二极管的损耗高8～9倍。低损耗在能效方面也有显著的优势。传统的IGBT弧焊逆变器，其额定效率一般为85％，采用软开关技术可以达到93％；而采用SiC功率器件，开关管的输出效率可以达到98％以上，这使逆变焊机具有更高的能效[22-23]。

（3）更为小巧轻便。由于逆变频率的提高，使得回路中的磁性器件的体积和质量大幅度降低；与此同时，由于SiC功率器件的耐高温性能更好，同等工况下能够采用更小体积的散热器和散热风扇。与采用传统Si基IGBT技术相比，采用SiC功率器件的逆变焊机的体积性能提高4倍，总体成本约为现有逆变焊机的1/2，而质量约为现有逆变焊机的1/4[24]。

（4）可靠性更好。虽然SiC MOSFET和肖特基二极管的最大额定电流没有传统的Si基IGBT的高，但SiC具有更高的热传导率和更好的热扩散能力，通过并联SiC晶片可以大幅提升SiC器件的功率输出能力，并且输出电压和输出电流的稳定性更好。

最近几年SiC器件价格的变化趋势如表6所示。器件的价格按照每1A电流所需美元（USD/A）来折算，SiC MOSFET的价格从6.4 USD/A到现在的0.595 USD/A，SiC Diode从0.505 USD/A到现在的0.27USD/A仅仅用了不到4年的时间。据估计，SiC器件的价格到2016年还会继续下降25％左右。

表6 SiC器件的价格（USD/A）变化趋势Tab.6Price（USD/A）change trend of SiC device

总体来看，逆变式焊机总体发展趋势是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展，并以提高可靠性及拓宽用途为核心。将SiC功率器件应用于逆变焊机时，不仅可以显著提高工作效率，而且能够有效降低系统中无源器件的质量和成本，有助于实现逆变焊机的小型化、高效化和高性能。SiC功率器件的引入，将为逆变焊机未来的发展起到重要的推动作用[19]。随着制造工艺的成熟和量产成本的迅速降低，性能优良的宽禁带SiC器件必将推动逆变焊机进入迅速更新换代的新局面。

3 结论

作为一种宽禁带半导体器件，SiC功率器件具有高热导率、高击穿场强、高热耐受性、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以在更高的电压、工作频率和功率密度条件下运行。将SiC功率器件应用于逆变焊机，不仅可以进一步提高能效、减少体积和质量、改善动态性能，还能进一步提高逆变焊机的综合性能，推动逆变焊机的更新换代。

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A new generation silicon carbide power device and its application in welding inverter

WANG Zhenmin，WANG Pengfei
（School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Nowadays，the performance of the Si power devices widely used in welding inverter is close to its theoretical limit decided by its material characteristics. Relying on the Si power devices，the potential for improving the performance of welding inverter is very limited. SiC is a revolutionary wide bandgap semiconductor material，which is the one of the major development directions of the next generation power semiconductor materials.In this paper the characteristics of the SiC materials and the type，principle and characteristics of SiC power device are introduced；the performance of SiC and ordinary Si power device is compared and analyzed.The advantages of SiC power devices applied to welding inverter are discussed.Finally，the application prospect of SiC power devices for welding inverter is expected and analyzed.

SiC；welding inverter；power device；wide bandgap semiconductor

TG434.1

C

1001－2303（2016）06－0001-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.01

2015-10-29

国家自然科学基金项目（51375173）；中央高校基本科研业务费培育项目（2015ZP220）；广东省科技计划项目（2013B010402007，2013B011302006，2014 B010104002）

王振民（1974—），男，湖南人，教授，博士，主要从事大功率数字化逆变电源、焊接自动化等方面的研究和教学工作。