有关电力应用中碳化硅的知识

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描述

碳化硅 (SiC) 是一种由硅 (Si) 和碳 (C) 组成的半导体化合物,属于宽带隙 (WBG) 材料家族。它的物理键非常强,使半导体具有很高的机械、化学和热稳定性。宽带隙和高热稳定性 使 SiC 器件能够在高于硅的结温下使用,甚至超过 200°C。碳化硅在功率应用中的主要优势在于其低漂移区电阻,这是高压功率器件的关键因素。 [这里是“关于 GaN 的 10 件事”]

由于结合了优异的物理和电子特性,基于 SiC 的功率器件正在推动电力电子技术的彻底变革。尽管这种材料早已为人所知,但它作为半导体的使用是相对较新的,这在很大程度上要归功于大型和高质量晶片的可用性。近几十年来,人们一直致力于开发特定且独特的高温晶体生长工艺。尽管 SiC 具有不同的多晶型晶体结构(也称为多型),但 4H-SiC 多型六方晶体结构最适合高功率应用。

 

碳化硅的主要特性是什么?

硅与碳的结合使这种材料具有出色的机械、化学和热性能,包括:

高导热性

低热膨胀和优异的抗热震性

低功率和开关损耗

高能效

高工作频率和温度(工作温度高达 200°C 结)

小芯片尺寸(具有相同的击穿电压)

本征体二极管(MOSFET器件)

出色的热管理,可降低冷却要求

使用寿命长

碳化硅在电子领域有哪些应用?

碳化硅是一种非常适合电力应用的半导体,这首先要归功于它能够承受高电压,比硅高出十倍。基于碳化硅的半导体具有更高的热导率、更高的电子迁移率和更低的功率损耗。碳化硅二极管和晶体管也可以在更高的频率和温度下工作,而不会影响可靠性。SiC器件的主要应用,如肖特基二极管和FET/MOSFET晶体管,包括转换器、逆变器、电源、电池充电器和电机控制系统。

为什么 SiC 在功率应用中胜过 Si?

尽管是电子产品中使用最广泛的半导体,但硅开始显示出一些局限性,尤其是在高功率应用中。这些应用中的一个相关因素是半导体提供的带隙或能隙。当带隙高时,它使用的电子设备可以更小、运行更快、更可靠。它还可以在比其他半导体更高的温度、电压和频率下工作。虽然硅的带隙约为 1.12eV,但碳化硅的带隙值约为 3.26eV 的近三倍。

为什么 SiC 可以承受如此高的电压?

功率器件,尤其是 MOSFET,必须能够处理极高的电压。由于电场的介电击穿强度大约是硅的十倍,SiC 可以达到非常高的击穿电压,从 600V 到几千伏。SiC 可以使用比硅更高的掺杂浓度,并且漂移层可以做得很薄。漂移层越薄,其电阻越低。理论上,给定高电压,单位面积漂移层的电阻可以降低到硅的1/300。

为什么 SiC 在高频下的性能优于 IGBT?

在大功率应用中,过去主要使用 IGBT 和双极晶体管,目的是降低在高击穿电压下出现的导通电阻。然而,这些器件会提供显着的开关损耗,从而导致发热问题限制了它们在高频下的使用。使用 SiC,可以制造实现高电压、低导通电阻和快速运行的器件,例如肖特基势垒二极管和 MOSFET。

哪些杂质用于掺杂 SiC 材料?

在其纯净形式中,碳化硅的行为类似于电绝缘体。通过控制添加杂质或掺杂剂,SiC 可以表现得像半导体。P型半导体可以通过掺杂铝、硼或镓来获得,而氮和磷的杂质会产生N型半导体。根据红外辐射、可见光和紫外线的电压或强度等因素,碳化硅具有在某些条件下导电但在其他条件下不导电的能力。与其他材料不同,碳化硅能够控制在宽范围内制造器件所需的 P 型和 N 型区域。由于这些原因,SiC 是一种适用于功率器件的材料,并且能够克服硅提供的限制。

SiC 如何实现比硅更好的热管理?

另一个重要参数是热导率,它是半导体如何散发其产生的热量的指标。如果半导体不能有效散热,则会对器件可以承受的最大工作电压和温度进行限制。这是碳化硅优于硅的另一个领域:碳化硅的热导率为 1490 W/mK,而硅的热导率为 150 W/mK。

SiC 反向恢复时间与 Si-MOSFET 相比如何?

SiC MOSFET 与其硅对应物一样,具有内部体二极管。体二极管提供的主要限制之一是不希望的反向恢复行为,当二极管在承载正正向电流时关闭时会发生这种情况。因此,反向恢复时间 (trr) 成为定义 MOSFET 特性的重要指标。图 比较了 1000V Si 基 MOSFET 和 SiC 基 MOSFET 的 trr。可以看出,SiC MOSFET 的体二极管速度极快:trr 和 Irr 的值小到可以忽略不计,能量损失 Err 大大降低。

MOSFET

图 :反向恢复时间比较(图片:Rohm)

为什么软关断对于短路保护很重要?

SiC MOSFET 的另一个重要参数是短路耐受时间 (SCWT)。由于 SiC MOSFET 占用的芯片面积非常小,并且具有高电流密度,因此它们承受可能导致热断路的短路的能力往往低于硅基器件。以 TO247 封装的 1.2kV MOSFET 为例,在 Vdd=700V 和 Vgs=18V 时的短路耐受时间约为 8-10 μs。随着 Vgs 降低,饱和电流降低,耐受时间增加。随着 Vdd 降低,产生的热量更少,耐受时间更长。由于关断 SiC MOSFET 所需的时间极短,因此当关断率 Vgs 较高时,高 dI/dt 会导致严重的电压尖峰。因此,应使用软关断来逐渐降低栅极电压,避免出现过压峰值。

为什么隔离式栅极驱动器是更好的选择?

许多电子设备既是低压威廉希尔官方网站 又是高压威廉希尔官方网站 ,它们相互连接以执行控制和供电功能。例如,牵引逆变器通常包括低压初级侧(电源、通信和控制威廉希尔官方网站 )和次级侧(高压威廉希尔官方网站 、电机、功率级和辅助威廉希尔官方网站 )。位于初级侧的控制器通常使用来自高压侧的反馈信号,如果不存在隔离栅,则很容易受到损坏。隔离栅将威廉希尔官方网站 从初级侧电隔离到次级侧,形成单独的接地参考,实现所谓的电流隔离。这可以防止不需要的 AC 或 DC 信号从一侧传输到另一侧,从而损坏电源组件。

审核编辑:汤梓红

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