摘要：寬禁帶半導(dǎo)體SiC是最有發(fā)展前途的電力電子材料，滿(mǎn)足牽引變流器輕量化、小型化、高效化的發(fā)展趨勢(shì)。本文闡述了SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了SiC SBD、SiC MOSFET、SiC JFET及SiC IGBT的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，論證了SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用面對(duì)的挑戰(zhàn)。可以看到的是，隨著SiC單晶質(zhì)量及晶片尺寸，相關(guān)制造、封裝工藝的成熟與完善，用不了多少年，牽引領(lǐng)域電力電子裝置和系統(tǒng)的性能就會(huì)因?yàn)镾iC器件的廣泛應(yīng)用而得到顯著的提升。
關(guān)鍵詞：SiC，電力電子器件，牽引
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(kāi)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(chǎng)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(jì)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(shí)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(shì)：本征載流子濃度低20個(gè)數(shù)量級(jí)，臨界擊穿電場(chǎng)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(jī)效率。高壓SiC器件[5]早在2003年已有報(bào)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(jī)車(chē)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(kāi)始，豐田、日產(chǎn)[7]、本田等公司首先將SiC器件應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)(EV)中。同時(shí)，羅姆、三菱、東芝等半導(dǎo)體公司也針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)需求開(kāi)發(fā)SiC產(chǎn)品，以滿(mǎn)足牽引逆變器小型化、輕量化、高效率的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)車(chē)牽引領(lǐng)域，日本三菱電機(jī)于2011年10月推出SiC功率逆變器用于東京地鐵銀座線(xiàn)“01系”的部分車(chē)輛，用以進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行考核。2014年推出1500A/3300V 全SiC模塊[8]用于小田急1000系列列車(chē)。日立公司也于2012年4月發(fā)布了針對(duì)地鐵車(chē)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(jī)試驗(yàn)試制階段向批量化生產(chǎn)和工程化應(yīng)用靠近。
我國(guó)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(kāi)始，中國(guó)中車(chē)永濟(jì)電機(jī)[9]及株洲時(shí)代電氣[10]開(kāi)始進(jìn)行SiC器件封裝及應(yīng)用研究，希望通過(guò)應(yīng)用推動(dòng)整個(gè)SiC電力電子產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，追趕國(guó)外先進(jìn)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(kāi)始集中在肖特基勢(shì)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(méi)有少數(shù)載流子的注入及自由電荷的存儲(chǔ)，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(shì)壘比Si薄[11]，進(jìn)一步提高SiC SBD的反向電壓會(huì)受到隧穿勢(shì)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(chǎng)高的優(yōu)勢(shì)，通常采用JBS[12]、MPS等結(jié)構(gòu)降低肖特基接觸處電場(chǎng)強(qiáng)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(jī)效率。然而由于SiC開(kāi)關(guān)器件發(fā)展的相對(duì)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(kāi)關(guān)器件，以降低器件開(kāi)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(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)設(shè)備。同時(shí)，SiC MOSFET與現(xiàn)有Si基MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)電路兼容，因此SiC MOSFET是發(fā)展最快的開(kāi)關(guān)器件。
SiC MOSFET早期發(fā)展存在一些問(wèn)題，如溝道遷移率低和柵氧化層可靠性問(wèn)題。目前，遷移率問(wèn)題通過(guò)埋溝[13]、高溫氣氛氧化等設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)得到基本解決。可靠性方面，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(guò)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(shí)現(xiàn)了SiC SBD與SiC MOSFET一體化封裝，解決了1200V級(jí)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(wèn)題。該產(chǎn)品在降低器件工作損耗70%以上的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了100kHz以上更高的工作頻率，推動(dòng)了外圍部件小型化的發(fā)展。預(yù)計(jì)在今后5-10年時(shí)間，SiC MOSFET將替代Si IGBT成為主流電力電子開(kāi)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(jí)性開(kāi)關(guān)器件的SiC JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)受到了重視，并與SBD、MOSFET率先實(shí)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(diǎn)，是目前發(fā)展較快的SiC開(kāi)關(guān)器件。
然而柵極P-N結(jié)工作方式的特點(diǎn)對(duì)器件應(yīng)用也帶來(lái)了很多不利的影響，如常通型、高米勒電容(Miller Capacitor)效應(yīng)、高負(fù)柵關(guān)斷電壓等問(wèn)題。這使得SiC JFET不能直接替代Si MOSFET及IGBT，使用時(shí)需要對(duì)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jí)在600V、1200V、1700V，單管電流最高達(dá)20A，模塊電流等級(jí)達(dá)到100A以上。2013年，Rockwell 公司采用600V/5A SiC增強(qiáng)型JFET以及SiC SBD并聯(lián)制作了25A三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，與當(dāng)時(shí)先進(jìn)的Si IGBT模塊相比較，同等功率下芯片面積減少40%，同時(shí)損耗及開(kāi)關(guān)過(guò)電壓、過(guò)電流問(wèn)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(wèn)題限制，SiC IGBT的研發(fā)工作起步較晚，1999年才有報(bào)道。經(jīng)過(guò)多年的研究，目前已經(jīng)逐步解決了上述問(wèn)題。2008年報(bào)道的13kV[15] N溝道SiC IGBT通態(tài)比電阻達(dá)到了22mΩ.cm2。
通過(guò)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(kāi)關(guān)速度快及功耗低的特點(diǎn)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，通過(guò)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(duì)的挑戰(zhàn)
3.1 芯片制造成本過(guò)高
從商業(yè)化角度看，SiC功率器件在電力電子器件市場(chǎng)很大，但SiC能否成功打入牽引領(lǐng)域市場(chǎng)，最終還是取決于它的性?xún)r(jià)比。目前雖已實(shí)現(xiàn)了6英寸4H-SiC襯底制備，但Cree公司從2英寸(1997年)擴(kuò)大到商業(yè)化6英寸(2010年)零微管4H-SiC襯底花費(fèi)了13年時(shí)間。同時(shí)，SiC功率器件工藝費(fèi)用也很高，設(shè)備及技術(shù)掌握在國(guó)外少數(shù)幾家公司。較高的價(jià)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(chǎng)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(jià)格是Si器件的5-6倍，當(dāng)這一數(shù)值降到2-3倍時(shí)，SiC功率器件將會(huì)大范圍應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)變流器中，推動(dòng)牽引系統(tǒng)快速發(fā)展。
3.2 材料缺陷多，單個(gè)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(zhǎng)的SiC晶體和化學(xué)氣相沉積法(CVD)生長(zhǎng)的SiC薄膜取得了驚人的進(jìn)步。采用緩沖層、臺(tái)階控制外延及位置競(jìng)爭(zhēng)等技術(shù)制備的SiC薄膜晶體質(zhì)量有了很大的提高，并實(shí)現(xiàn)了可控?fù)诫s。但晶體中仍含有大量的微管[16]、位錯(cuò)[17]和層錯(cuò)[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(gè)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(wèn)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(wèn)題，不能充分發(fā)揮SiC材料高溫及高頻應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。
針對(duì)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(xiàn)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(jì)。隨著國(guó)際廠(chǎng)商對(duì)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(shì)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(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)電容及電感等儲(chǔ)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(dòng)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(kāi)關(guān)器件已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)車(chē)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(jià)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(wú)法得到完全展現(xiàn)。不過(guò)可以看見(jiàn)的是，隨著SiC材料技術(shù)的不斷發(fā)展及各大廠(chǎng)商對(duì)SiC器件的重視，SiC電力電子器件未來(lái)幾年在成品率、可靠性、價(jià)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(shì)，對(duì)牽引變流器的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的推動(dòng)作用。
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作者簡(jiǎn)介：
姓名：曹琳;工作單位：中車(chē)永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司;職務(wù)：無(wú);專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)：電氣工程師;研究領(lǐng)域：SiC芯片及模塊應(yīng)用研究、Si基IGBT芯片后道工藝、IGBT模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性及失效分析研究;通信地址：陜西省西安市經(jīng)開(kāi)區(qū)鳳城十二路中國(guó)中車(chē)永濟(jì)電機(jī)研發(fā)中心;聯(lián)系電話(huà)：13572966628;電子郵箱：cl_zhifang@hotmail.com;郵編：710016。
