SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用展望
發(fā)布時間：2016/6/14 訪問人數(shù)：1717次
1 引言
電牽引技術(shù)的不斷發(fā)展要求電力電子器件具有更高的功率密度、更高的工作溫度、更小的功率損耗、更快的開關(guān)速度[1]。以硅(Silicon-Si)材料為基礎(chǔ)的電力電子器件因大功率場效應(yīng)晶體管(功率MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等新型電力電子器件的應(yīng)用而日趨成熟。隨著器件結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝的完善，當(dāng)前器件的性能已經(jīng)接近Si材料的理論極限[2]。目前，以碳化硅(SiC)為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件已經(jīng)實現(xiàn)商品化，在牽引領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力[3]。
SiC材料較大的禁帶寬度(3.26eV)使其相比于Si材料(1.12eV)具有很大的優(yōu)勢：本征載流子濃度低20個數(shù)量級，臨界擊穿電場高10倍，熱導(dǎo)率高3倍，電子飽和漂移速率高1倍等。這些特性使得SiC電力電子器件在高溫、高頻及阻斷電壓等方面突破Si材料的極限[4]。
目前，SiC電力電子器件已經(jīng)在600V-1700V中低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，Cree、Rohm、Infineon等公司可批量供應(yīng)最大電流50A的SiC SBD及MOSFET產(chǎn)品，其應(yīng)用已顯著提高系統(tǒng)工作頻率及整機效率。高壓SiC器件[5]早在2003年已有報道，然而受晶體質(zhì)量[6]及相關(guān)工藝限制，其產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展中。機車牽引、高壓直流輸變電等領(lǐng)域目前正小批量試用高壓SiC器件，系統(tǒng)性能提升明顯。
牽引領(lǐng)域，2007年開始，豐田、日產(chǎn)[7]、本田等公司首先將SiC器件應(yīng)用于電動汽車(EV)中。同時，羅姆、三菱、東芝等半導(dǎo)體公司也針對電動汽車需求開發(fā)SiC產(chǎn)品，以滿足牽引逆變器小型化、輕量化、高效率的發(fā)展趨勢。機車牽引領(lǐng)域，日本三菱電機于2011年10月推出SiC功率逆變器用于東京地鐵銀座線“01系”的部分車輛，用以進行車輛運行考核。2014年推出1500A/3300V 全SiC模塊[8]用于小田急1000系列列車。日立公司也于2012年4月發(fā)布了針對地鐵車輛用于1.5kV直流接觸網(wǎng)的3.3kV 混合SiC模塊。SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用正由樣機試驗試制階段向批量化生產(chǎn)和工程化應(yīng)用靠近。
我國高鐵建設(shè)目前已擁有世界領(lǐng)先水平，但牽引用SiC電力電子器件及應(yīng)用尚處于初期階段。2013年開始，中國中車永濟電機[9]及株洲時代電氣[10]開始進行SiC器件封裝及應(yīng)用研究，希望通過應(yīng)用推動整個SiC電力電子產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，追趕國外先進技術(shù)的腳步。
2 SiC電力電子器件
SiC器件在高阻斷電壓下依然有很小的導(dǎo)通電阻，因此SiC器件的研究開始集中在肖特基勢壘二極管(SBD)、MOSFET等少數(shù)載流子器件上。
2.1 SiC SBD
SiC SBD為單極性器件，沒有少數(shù)載流子的注入及自由電荷的存儲，具有幾乎理想的反向恢復(fù)特性，適合在高壓、高頻及高溫條件下工作。
由于高壓下SiC肖特基勢壘比Si薄[11]，進一步提高SiC SBD的反向電壓會受到隧穿勢壘引起的反向漏電流限制。為了充分發(fā)揮SiC臨界擊穿電場高的優(yōu)勢，通常采用JBS[12]、MPS等結(jié)構(gòu)降低肖特基接觸處電場強度，獲得了較好的器件特性。
SiC SBD是發(fā)展最為成熟的SiC電力電子器件，適用于600V-3300V阻斷電壓范圍。Cree、Rohm、Microsemi、Infineon等公司SiC SBD已經(jīng)應(yīng)用于變頻或者逆變裝置中替換Si基快恢復(fù)二極管，顯著提高了工作頻率和整機效率。然而由于SiC開關(guān)器件發(fā)展的相對滯后，因此目前在牽引、工業(yè)變頻等領(lǐng)域的普遍做法是將SiC SBD和Si IGBT芯片封裝在一起以形成大功率開關(guān)器件，以降低器件開關(guān)損耗。
2.2 SiC MOSFET
SiC是唯一具有熱氧化層的寬禁帶半導(dǎo)體材料，因此可以直接借鑒Si 基MOSFET的設(shè)計、制造經(jīng)驗和生產(chǎn)設(shè)備。同時，SiC MOSFET與現(xiàn)有Si基MOSFET、IGBT驅(qū)動電路兼容，因此SiC MOSFET是發(fā)展最快的開關(guān)器件。
SiC MOSFET早期發(fā)展存在一些問題，如溝道遷移率低和柵氧化層可靠性問題。目前，遷移率問題通過埋溝[13]、高溫氣氛氧化等設(shè)計、工藝技術(shù)得到基本解決?？煽啃苑矫?，350°C[14]下柵氧化層依舊具有良好的可靠性，目前已經(jīng)不是限制SiC MOSFET發(fā)展的瓶頸。
2012年，日本Rohm公司通過優(yōu)化工藝條件及器件結(jié)構(gòu)，改善了晶體質(zhì)量，首次實現(xiàn)了SiC SBD與SiC MOSFET一體化封裝，解決了1200V級別逆變器中使用Si IGBT及FRD(快恢復(fù)二極管)而導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換損耗較大的問題。該產(chǎn)品在降低器件工作損耗70%以上的同時還實現(xiàn)了100kHz以上更高的工作頻率，推動了外圍部件小型化的發(fā)展。預(yù)計在今后5-10年時間，SiC MOSFET將替代Si IGBT成為主流電力電子開關(guān)器件。
2.3 SiC JFET
由于SiC MOSFET結(jié)構(gòu)存在的不完美特性，使得同樣為單級性開關(guān)器件的SiC JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)受到了重視，并與SBD、MOSFET率先實現(xiàn)了商業(yè)化。SiC JFET還具有閾值電壓隨溫度穩(wěn)定性好、高溫可靠性高等優(yōu)點，是目前發(fā)展較快的SiC開關(guān)器件。
然而柵極P-N結(jié)工作方式的特點對器件應(yīng)用也帶來了很多不利的影響，如常通型、高米勒電容(Miller Capacitor)效應(yīng)、高負柵關(guān)斷電壓等問題。這使得SiC JFET不能直接替代Si MOSFET及IGBT，使用時需要對驅(qū)動電路作出相應(yīng)的調(diào)整，以保證器件安全可靠的工作。
目前，SiC JFET器件已經(jīng)實現(xiàn)一定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要以Infineon、SiCED及Semisouth公司的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品電壓等級在600V、1200V、1700V，單管電流最高達20A，模塊電流等級達到100A以上。2013年，Rockwell 公司采用600V/5A SiC增強型JFET以及SiC SBD并聯(lián)制作了25A三相電機驅(qū)動模塊，與當(dāng)時先進的Si IGBT模塊相比較，同等功率下芯片面積減少40%，同時損耗及開關(guān)過電壓、過電流問題降低明顯。
2.4 SiC IGBT
受P型襯底電阻率高、溝道遷移率低及柵氧化層可靠性問題限制，SiC IGBT的研發(fā)工作起步較晚，1999年才有報道。經(jīng)過多年的研究，目前已經(jīng)逐步解決了上述問題。2008年報道的13kV[15] N溝道SiC IGBT通態(tài)比電阻達到了22mΩ.cm2。
通過與SiC MOSFET、Si IGBT及晶閘管比較發(fā)現(xiàn)，在阻斷電壓15kV以上領(lǐng)域，SiC IGBT綜合了開關(guān)速度快及功耗低的特點，具有明顯的優(yōu)勢。因此，通過不斷提升SiC IGBT芯片特性及可靠性，SiC IGBT將成為智能電網(wǎng)中的核心器件。
3 SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用面對的挑戰(zhàn)
3.1 芯片制造成本過高
從商業(yè)化角度看，SiC功率器件在電力電子器件市場很大，但SiC能否成功打入牽引領(lǐng)域市場，最終還是取決于它的性價比。目前雖已實現(xiàn)了6英寸4H-SiC襯底制備，但Cree公司從2英寸(1997年)擴大到商業(yè)化6英寸(2010年)零微管4H-SiC襯底花費了13年時間。同時，SiC功率器件工藝費用也很高，設(shè)備及技術(shù)掌握在國外少數(shù)幾家公司。較高的價格導(dǎo)致其通常應(yīng)用在高溫，輻照等Si器件不能應(yīng)用的領(lǐng)域。較小的市場維持高的成本限制了SiC功率器件的發(fā)展。
目前，同一規(guī)格SiC功率器件的價格是Si器件的5-6倍，當(dāng)這一數(shù)值降到2-3倍時，SiC功率器件將會大范圍應(yīng)用于電動汽車、機車、動車變流器中，推動牽引系統(tǒng)快速發(fā)展。
3.2 材料缺陷多，單個芯片電流小
雖然目前SiC器件的研究已經(jīng)取得了非常矚目的成果，但其性能離SiC材料本身的極限還有較大距離。近幾年，利用物理氣相傳輸法(PVT)生長的SiC晶體和化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長的SiC薄膜取得了驚人的進步。采用緩沖層、臺階控制外延及位置競爭等技術(shù)制備的SiC薄膜晶體質(zhì)量有了很大的提高，并實現(xiàn)了可控摻雜。但晶體中仍含有大量的微管[16]、位錯[17]和層錯[18]等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重限制了SiC芯片成品率及大電流需求。
SiC電力電子器件要想應(yīng)用于牽引領(lǐng)域，單個芯片面積必須要在1.2cm2以上，以保證100A以上的通流能力，降低多芯片并聯(lián)產(chǎn)生的寄生參數(shù)。因此，SiC材料必須解決上述缺陷問題，SiC器件才有可能在牽引領(lǐng)域批量應(yīng)用。
3.3 器件封裝材料與技術(shù)有待提高
目前SiC功率器件封裝工藝及方法通常借鑒Si IGBT封裝技術(shù)，在DBC布局、芯片鍵合、高溫焊料、硅凝膠填充、密封材料等方面還存在一些問題，不能充分發(fā)揮SiC材料高溫及高頻應(yīng)用的優(yōu)勢。
針對SiC器件封裝特殊要求，三菱、塞米控、富士等公司在封裝材料及結(jié)構(gòu)方面提出了新的思路，如三菱公司銅針布線技術(shù)，塞米控公司低溫納米銀燒結(jié)技術(shù)，富士公司低電感和優(yōu)化的DBC布局設(shè)計。隨著國際廠商對SiC封裝技術(shù)的重視，封裝材料的不斷發(fā)展及封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，封裝將不再是限制SiC器件性能的瓶頸，SiC材料優(yōu)勢將完全得到展現(xiàn)。
4 結(jié)論
相比于目前廣泛應(yīng)用的Si電力電子器件，SiC器件可工作于更高的開關(guān)頻率，實現(xiàn)電容及電感等儲能和濾波部件小型化;芯片功率密度更大，縮小器件及功率模塊尺寸;損耗小，工作結(jié)溫高，減小冷卻裝置體積。這些優(yōu)良特性共同推動牽引變流器向小型化、輕量化、高效率的方向發(fā)展。目前，由SiC SBD與SiC MOSFET組成的開關(guān)器件已經(jīng)開始應(yīng)用于機車牽引領(lǐng)域，展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。
當(dāng)前制約SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素包括：襯底及外延成本高，芯片價格高;材料缺陷多，芯片成品率及單只芯片電流受到限制;封裝技術(shù)存在瓶頸，SiC材料性能無法得到完全展現(xiàn)。不過可以看見的是，隨著SiC材料技術(shù)的不斷發(fā)展及各大廠商對SiC器件的重視，SiC電力電子器件未來幾年在成品率、可靠性、價格及封裝技術(shù)方面可獲得較大改善，將廣泛應(yīng)用于牽引領(lǐng)域，逐步展現(xiàn)出其性能和降低變流系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢，對牽引變流器的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的推動作用。
參考文獻
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