【導讀】電力電子轉換器在快速發(fā)展的工業(yè)格局中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。它們的應用正在增加，并且在眾多新技術(shù)中發(fā)揮著(zhù)核心作用，包括電動(dòng)汽車(chē)、牽引系統、太空探索任務(wù)、深層石油開(kāi)采系統、飛機系統等領(lǐng)域的進(jìn)步。
電力電子轉換器在快速發(fā)展的工業(yè)格局中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。它們的應用正在增加，并且在眾多新技術(shù)中發(fā)揮著(zhù)核心作用，包括電動(dòng)汽車(chē)、牽引系統、太空探索任務(wù)、深層石油開(kāi)采系統、飛機系統等領(lǐng)域的進(jìn)步。
電力電子電路不斷發(fā)展以實(shí)現更高的效率，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）等電力電子設備為令人興奮的創(chuàng )新打開(kāi)了大門(mén)。硅（Si）基功率器件長(cháng)期以來(lái)一直主導著(zhù)市場(chǎng)，但由于較低的帶隙和電擊穿場(chǎng)，其性能已達到極限。因此，開(kāi)關(guān)頻率、阻斷電壓和工作溫度存在限制。
隨著(zhù)采用寬帶隙（WBG）材料設計的革命性新器件的引入，可以克服這些限制。碳化硅（SiC）是一種寬帶隙材料，已經(jīng)上市約二十年。SiC的固有載流子密度要小得多，允許高溫操作。此外，SiC的非常高的臨界電場(chǎng)使我們能夠設計額定值大于10 kV的設備。SiC器件的另一個(gè)理想特性是高開(kāi)關(guān)速度和低寄生電容。這是因為較小的理想比傳導電阻允許SiC芯片小于Si器件。
SiC功率器件最重要的優(yōu)勢之一可能是它們能夠在更高的溫度下工作。例如，目前正在設計電動(dòng)飛機，因此動(dòng)力電子轉換器和電動(dòng)執行器系統將需要在熱發(fā)動(dòng)機附近承受高溫。同樣，電動(dòng)汽車(chē)的溫度也可能在很寬的范圍內變化。功率器件在惡劣環(huán)境中工作的能力對于許多新興工業(yè)應用至關(guān)重要。幸運的是，與硅器件相比，第三代半導體材料氮化鎵（GaN）和SiC功率器件表現出越來(lái)越優(yōu)越的特性。從理論上講，SiC器件的WBG是硅的三倍，因此可以實(shí)現約600°C的結溫。
以下是對有前途的碳化硅功率器件的簡(jiǎn)要介紹。
二極管
碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）是2001年上市的第一款商用碳化硅功率器件。SBD是SiC材料和肖特基二極管結構的組合，是Si PIN二極管的完美替代品。SBD優(yōu)于Si PIN二極管的最重要特性是其快速反向恢復特性。它不僅有望提高效率，而且由于反向恢復電流低，二極管關(guān)斷期間的轉換器振蕩和電磁干擾（EMI）問(wèn)題也減少了。
該二極管的另一個(gè)變體是SiC結勢壘肖特基二極管（JBS）。大多數商業(yè)化的SiC二極管都基于JBS結構，其中幾個(gè)P+區域組合成肖特基區域。因此，很大一部分電場(chǎng)被推離肖特基勢壘，向P+區的下部區域推進(jìn)。通過(guò)這種方式，可以降低關(guān)斷狀態(tài)漏電流，并且不會(huì )影響JBS二極管的速度。另一種類(lèi)型的SiC二極管是SiC PIN二極管，非常適合在10 kV至20 kV范圍內工作，因為電導率調制可有效降低漂移區域電阻。
碳化硅開(kāi)關(guān)
在許多工業(yè)應用中，功率半導體器件的阻斷電壓要求約為1.2至3.3 kV。碳化硅MOSFET屬于這一類(lèi)。與Si IGBT相比，SiC MOSFET中的多數載流子導通機制可顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗。碳化硅MOSFET在結構上可分為兩種類(lèi)型：規劃器和溝槽。雙植入金屬氧化物場(chǎng)效應晶體管（DIMOSFET）是規劃器SiC MOSFET的一個(gè)例子。
除了提高電氣性能外，可靠性是SiC MOSFET創(chuàng )新背后的另一個(gè)驅動(dòng)力。此外，在航空航天應用和核電站中，所使用的功率器件必須能夠承受輻射。碳化硅MOSFET已被證明在這些環(huán)境中工作良好。SiC結場(chǎng)效應晶體管（JFETS）自2006年以來(lái)已上市。
碳化硅BJT非?？煽?，非常適合高溫環(huán)境。然而，缺點(diǎn)是驅動(dòng)電流需要恒定穩定，隨著(zhù)溫度的升高，電流增益減小，驅動(dòng)損耗增加。對于10 kV及更高電壓，SiC IGBT非常合適。
結語(yǔ)
SiC功率器件所展示的卓越動(dòng)態(tài)特性為以前不切實(shí)際的電路鋪平了道路。與傳統的硅功率半導體器件相比，SiC電力電子器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括提高轉換器效率，減少體積和重量以及更簡(jiǎn)單的散熱組件。
但是，大規模采用SiC功率轉換器仍然具有挑戰性。SiC技術(shù)在電氣系統中的應用需要詳細了解系統架構，包括EMI和熱問(wèn)題。另一個(gè)因素是SiC器件的成本相對較高。然而，基于SiC的轉換器可以徹底改變新興的工業(yè)系統和技術(shù)，如太陽(yáng)能逆變器，電動(dòng)汽車(chē)，感應加熱器和牽引系統等。這些設備的未來(lái)是有希望的。
（來(lái)源：國晶微半導體）
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