碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應用展望

1、碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應用展望碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應用展望摘要：摘要：碳化硅作為一種寬禁帶材料，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高熱導率等優(yōu)點，可以實現(xiàn)高壓、大功率、高頻、高溫應用的新型功率半導體器件。該文對碳化硅功率半導體器件的最新發(fā)展進行回顧，包括碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT，并對其在電力系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀與前景進行展望。關鍵詞：關鍵詞：碳化硅；功率器件；電力系統(tǒng)1引言引言理想的

2、半導體功率器件，應當具有這樣的靜態(tài)和動態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的導通壓降；在開關狀態(tài)和轉換時，具有短的開、關時間，能承受高的didt和dudt，具有低的開關損耗，并具有全控功能。半個多世紀以來（自20世紀50年代硅晶閘管的問世），半導體功率器件的研究工作者為實現(xiàn)上述理想的器件做出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。各類硅基功率半導體器件（功率二極管、VDMOS、IGBT、IGCT等）被成功制

3、造和應用，促使各種新型大功率裝置成功地應用于各種工業(yè)電源、電機驅動、電力牽引、電能質量控制、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電、國防和前沿科學技術等領域。然而由于在電壓、功率耐量等方面的限制，這些硅基大功率器件在現(xiàn)代高性能電力電子裝置中（要求具有變流、變頻和調相能力；快速的響應性能~ms；利用極小的功率控制極大功率；變流器體積小、重量輕等）不得不采用器件串、并聯(lián)技術和復雜的電路拓撲來達到實際應用的要求，導致裝置的故障率和成本大大增加，制約了現(xiàn)代

4、電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展。近年來，作為新型的寬禁帶半導體材料——碳化硅（SiC），因其出色的物理及電特性，正越來越受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。碳化硅功率器件的重要優(yōu)勢在于具有高壓(達數(shù)萬伏)、高溫(大于500℃)特性，突破了硅基功率器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于150℃)限制所導致的嚴重系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術的進步，各種碳化硅功率器件被研發(fā)出來，如碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT等，由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響，碳化硅功率器件

5、率先在低壓領域實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級在600~1700V。近兩年來，隨著技術的進步，高壓碳化硅器件已經(jīng)問世，如19.5kV的碳化硅二極管[1]，10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[34]碳化硅IGBT等，并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅基功率器件的道路上取得進步。這些碳化硅功率器件的成功研發(fā)帶來了半導體功率器件性能的飛Schottky，JBS)。在5kV阻斷電壓以下的范圍，碳化硅結勢壘肖特基二極管是較好的選擇。JBS二極

6、管結合了肖特基二極管所擁有的出色的開關特性和PIN結二極管所擁有的低漏電流的特點。把JBS二極管結構參數(shù)和制造工藝稍作調整就可以形成混合PIN肖特基結二極管(mergedPINSchottky，MPS)。由于碳化硅二極管基本工作在單極型狀態(tài)下，反向恢復電荷量基本為零，可以大幅度地減少二極管反向恢復引起的自身瞬態(tài)損耗以及相關的IGBT開通瞬態(tài)損耗，非常適用于開關頻率較高的電路。PIN結二極管在4~5kV或者以上的電壓時具有優(yōu)勢，由于其內部

7、的電導調制作用而呈現(xiàn)出較低的導通電阻，使得它比較適用于高電壓應用場合。有文獻報道阻斷電壓為14.9和19.5kV的超高壓PIN二極管，其正向和反向導通特性如圖1所示，在電流密度為100Acm2時，其正向壓降分別僅為4.4和6.5V[1]。這種高壓的PIN二極管在電力系統(tǒng)，特別是高壓直流輸電領域具有潛在的應用價值。2.32.3碳化硅碳化硅MOSFETMOSFET器件器件功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關性能、低導通電阻和高