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碳化矽電力電子器件的發展現狀分析

2018-06-26 13:56:38 1023

     富芯微電子有限公司産品普及:

     1SiC二極管實現産業化


  SiC電力電子器件中,SiC二極管最先實現産業化。2001年德國Infineon公司率先推出SiC二極管産品,美國Cree和意法半導體等廠商也緊随其後推出了SiC二極管産品。在日本,羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投産了SiC二極管。很多企業在開發肖特基勢壘二極管(SBD)和JBS結構二極管。目前,SiC二極管已經存在600V~1700V電壓等級和50A電流等級的産品。


  SiC肖特基二極管能提供近乎理想的動态性能。做為單子器件,它的工作過程中沒有電荷儲存,因此它的反向恢複電流僅由它的耗盡層結電容造成,其反向恢複電荷以及其反向恢複損耗比Si超快恢複二極管要低一到兩個數量級。更重要的是,和它匹配的開關管的開通損耗也可以得到大幅度減少,因此提高電路的開關頻率。另外,它幾乎沒有正向恢複電壓,因而能夠立即導通,不存在雙極型器件的開通延時現象。在常溫下,其正态導通壓降和Si超快恢複器件基本相同,但是由于SiC肖特基二極管的導通電阻具有正溫度系數,這将有利于将多個SiC肖特基二極管并聯。在二極管單芯片面積和電流受限的情況下,這可以大幅度提高SiC肖特基二極管的容量,使它在較大容量中的應用成為可能。目前實驗室報道的最大容量的SiC二極管已經達到了6500V/1000A的水平。由于SiC開關管的發展相對二極管滞後,當前更普遍的做法是将SiC二極管和SiIGBT和MOSFET器件封裝在一個模塊中以形成大功率開關組合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換矽基快恢複二極管,顯着提高了工作頻率和整機效率。中低壓SiC肖特基二極管目前已經在高端通訊開關電源、光伏并網逆變器領域上産生較大的影響。


  SiC肖特基二極管的發展方向是襯底減薄技術和TrenchJBS結構。襯底減薄技術能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極管的導通電阻,增強器件浪湧電流能力,減小器件熱阻。Infineon公司于2012年9月發布第五代SiCSBD産品,首次采用襯底減薄技術。在SiC晶格裡,JBS結構中離子注入p阱的深度受到限制(《1um),反偏條件下淺p-n結對肖特基結的屏蔽作用不是特别明顯,隻有在相鄰p阱之間的間距較小時才能突顯出來,但同時帶來的正向導通溝道寬度變窄效應使得正向導通壓降顯着增加。為了解決這一問題,新一代SiC肖特基二極管的發展方向是TrenchJBS結構。Cree公司新一代SiC肖特基二極管同時采用TrenchJBS結構和襯底減薄技術,與傳統的JBS二極管相比,正反向特性都得到了改善,不僅增加了電流密度(芯片面積減小50%);也提高了阻斷電壓(提高150V)和雪崩能力。


  2SiCJFET器件的産業化發展


  碳化矽JFET有着高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點,是目前發展較快的碳化矽器件之一,并且率先實現了商業化。與MOSFET器件相比,JFET器件不存在栅氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制,同時單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外,JFET器件具有更佳的高溫工作穩定性和可靠性。碳化矽JFET器件的門極的結型結構使得通常JFET的阈值電壓大多為負,即常通型器件,這對于電力電子的應用極為不利,無法與目前通用的驅動電路兼容。美國Semisouth公司和Rutgers大學通過引入溝槽注入式或者台面溝槽結構(TIVJFET)的器件工藝,開發出常斷工作狀态的增強型器件。但是增強型器件往往是在犧牲一定的正向導通電阻特性的情況下形成的,因此常通型(耗盡型)JFET更容易實現更高功率密度和電流能力,而耗盡型JFET器件可以通過級聯的方法實現常斷型工作狀态。級聯的方法是通過串聯一個低壓的Si基MOSFET來實現。級聯後的JFET器件的驅動電路與通用的矽基器件驅動電路自然兼容。級聯的結構非常适用于在高壓高功率場合替代原有的矽IGBT器件,并且直接回避了驅動電路的兼容問題。


  目前,碳化矽JFET器件以及實現一定程度的産業化,主要由Infineon和SiCED公司推出的産品為主。産品電壓等級在1200V、1700V,單管電流等級最高可以達20A,模塊的電流等級可以達到100A以上。2011年,田納西大學報到了50kW的碳化矽模塊,該模塊采用1200V/25A的SiCJFET并聯,反并聯二極管為SiCSBD。2011年,GlobalPowerElectronics研制了使用SiCJFET制作的高溫條件下SiC三相逆變器的研究,該模塊峰值功率為50kW(該模塊在中等負載等級下的效率為98.5%@10kHz、10kW,比起Si模塊效率更高。2013年Rockwell公司采用600V/5AMOS增強型JFET以及碳化矽二極管并聯制作了電流等級為25A的三相電極驅動模塊,并與現今較為先進的IGBT、pin二極管模塊作比較:在同等功率等級下(25A/600V),面積減少到60%,該模塊旨在減小通态損耗以及開關損耗以及功率回路當中的過壓過流。


  3SiCMOSFET器件實用化取得突破


  碳化矽MOSFE一直是最受矚目的碳化矽開關管,它不僅具有理想的栅極絕緣特性、高速的開關性能、低導通電阻和高穩定性,而且其驅動電路非常簡單,并與現有的電力電子器件(矽功率MOSFET和IGBT)驅動電路的兼容性是碳化矽器件中最好的。


  SiCMOSFET器件長期面臨的兩個主要挑戰是栅氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。其中溝道電阻大導緻導通時的損耗大,為減少導通損耗而降低導通電阻和提高栅氧層的可靠性的研發一直在進行。降低導通電阻的方法之一是提高反型溝道的載流子遷移率,減小溝道電阻。為了提高碳化矽MOSFET栅氧層的質量,降低表面缺陷濃度,提高載流子數量和遷移率,一種最通用的辦法是實現生長界面的氮注入,也被稱為界面鈍化,即在栅氧層生長過程結束後,在富氮的環境中進行高溫退火,這樣可以實現溝道載流子遷移率的提高,從而減小溝道電阻,減小導通損耗。降低導通電阻的方法之二是采用在栅極正下方開掘溝槽的溝槽型栅極結構。目前已經投産的SiCMOSFET都是“平面型”。平面型在為了降低溝道電阻而對單元進行微細化時,容易導緻JFET電阻增大的問題,導通電阻的降低方面存在一定的局限性。而溝槽型在構造上不存在JFET電阻。因此,适于降低溝道電阻、減小導通電阻,但是Si溝槽型MOSFET目前尚未解決溝槽刻蝕之後側壁溝道的表面問題。


  美國Cree和日本Rohm公司已經能提供業界領先的碳化矽的MOSFET器件。美國已經将碳化矽MOSFET器件應用于開發2.7MVA的固态功率變電站,該固态功率變電站可能将被應用于美國下一代航空母艦CVN-21的配電系統中。采用全碳化矽功率模塊,可以使傳統的低頻(60Hz)變壓器轉變為高頻(20kHz)固态功率變電站,預計使變壓器的重量由6噸降低到1.7噸,體積從10立方米降低到2.7立方米,大大提高艦船系統的性能。2012年,日本三菱電機通過使用碳化矽制造的MOSFET和肖特基二極管,研發出一個達11kW逆變器,它比基于矽器件制造的逆變器,降低能源損耗達七成,輸出功率為10W/cm3。日本三菱電機報道了使用強制風冷的三相400V輸出全碳化矽逆變器,采用了碳化矽JFET和碳化矽肖特基勢壘二極管,這套裝置的功率密度達到了50kVA/升,遠高于傳統的矽基裝置。2013年3月美國Cree發布第2代SiCMOSFET。與第1代産品相比,通過縮小芯片面積等手段壓縮了成本。以耐壓為1.2kV的品種為例,第2代芯片面積比第1代縮小了約40%。


  4SiCIGBT器件


  由于受到工藝技術的制約,碳化矽IGBT的起步較晚,高壓碳化矽IGBT面臨兩個挑戰:第一個挑戰與碳化矽MOSFET器件相同,溝道缺陷導緻的可靠性以及低電子遷移率問題;第二個挑戰是N型IGBT需要P型襯底,而P型襯底的電阻率比N型襯底的電阻率高50倍。因此,1999年制成的第一個IGBT采用了P型襯底。經過多年的研發,逐步克服了P型襯底的電阻問題,2008年報道了13kV的N溝道碳化矽IGBT器件,比導通電阻達到22mΩ×cm2。有報道對15kV的N-IGBT和MOSFET的正向導通能力做了一個比較,結果顯示,在結溫為室溫時,在芯片功耗密度為200W/cm2以下的條件下,MOSFET可以獲得更大的電流密度,而在更高的功耗密度條件下,IGBT可以獲得更大的電流密度。在結溫為127?C時,IGBT在功耗密度為50W/cm2以上的條件下就能夠導通比MOSFET更高的電流密度。同一年,該團隊還報道了阻斷電壓達到12kV的P溝道碳化矽IGBT,導通比電阻降到了14mΩ×cm2,體現了明顯的電導調制能力。


  碳化矽IGBT器件的優勢應用範圍為10kV以上的高壓領域。在這一領域中,碳化矽MOSFET器件會面臨通态電阻過高的問題,但是在10kV以下的應用中,碳化矽IGBT相對于碳化矽MOSFET的優勢并不十分明顯。在15kV以上的應用領域,碳化矽IGBT綜合了功耗低和開關速度快的特點,相對于碳化矽的MOSFET以及矽基的IGBT、晶閘管等器件具有顯着的技術優勢,特别适用于高壓電力系統應用領域。新型高溫高壓碳化矽IGBT器件将對大功率應用,特别是電力系統的應用産生重大的影響。可以預見的是,高壓碳化矽IGBT器件将和PiN二極管器件一起,成為下一代智能電網技術中電力電子技術最核心的器件。


  5SiC功率模塊


  碳化矽功率模塊是全球電力電子器件大型企業目前重點的發展方向。碳化矽功率模塊已經在一些高端領域實現了初步應用,包括高功率密度電能轉換、高性能電機驅動等等,并具有廣闊的應用前景和市場潛力。在碳化矽功率模塊領域,首先開始研發的是基于碳化矽功率二極管和矽基IGBT的混合功率模塊。第一個實現商用的采用碳化矽二極管和矽基IGBT的高功率模塊是Infineon公司的PrimePACK産品。随着碳化矽器件的進步,全碳化矽功率模塊不斷被研發出來。美國Cree公司報道了阻斷電壓10kV,電流20A的碳化矽MOSFET芯片,并可以通過并聯模塊得到100A的電流傳輸能力。2009年美國Cree公司與Powerex公司開發出了雙開關1200V、100A的碳化矽功率模塊,該模塊由耐高壓和大電流的碳化矽的MOSFET器件和碳化矽肖特基二極管組成。2011年,美國U.S.ArmyResearchLaboratory研發了用20個80A的SiCMOSFET以及20個50ASiC肖特基二極管制作了一個1200V/800A的雙向功率模塊。該模塊用作全橋逆變并與Si器件比較實驗,結果表明功率損耗至少降低40%,在同樣輸出電流等級情況下SiC的模塊可以工作在Si模塊的4倍頻狀态。該模塊預計用于電動汽車領域。2012年,日本富士電機公司研發基于SiCMOSFET的1200V/100A的碳化矽功率模塊。該模塊采用新型無焊線設計、氮化矽陶瓷作襯底制作,可以在200°C高溫工作作,并且類似倒裝芯片的壓接式設計使得該模塊與起傳統的鋁線鍵合模塊相比具有内電感低的特點,同時損耗更低,與傳統同功率IGBT模塊相比具有更緊湊的結構,大小約為原先的1/2。2012年日本羅姆公司開始推出全碳化矽功率模塊,2013年,美國的CREE公司和日本的三菱公司也推出了1200V/100A的全碳化矽模塊。這些全碳化矽功率模塊組合了碳化矽MOSFET器件和肖特基二極管,利用高速開關及低損耗的特性,可替換原來額定電流為200~400A的矽基IGBT模塊。因器件散熱性提高,使得裝置的體積縮小了一半,并且發熱量小,可縮小冷卻裝置,實現裝置的小型化,同時可以将電力轉換時的損耗削減85%以上,大幅削減工業設備的電力損耗。全碳化矽MOSFET(或JFET)模塊的優良特性使它具備在10kV以下的應用中取代矽基IGBT的巨大潛力,取代的速度和範圍将取決于碳化矽材料和器件技術的成熟速度和成本下降的速度。