中國(guó)粉體網(wǎng)訊 3月24日，蘇州市軌道交通3號(hào)線工程車輛全碳化硅永磁直驅(qū)列車全球首發(fā)活動(dòng)在蘇州市軌道交通3號(hào)線滸墅關(guān)車輛段舉行。
(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))
除了采用走行風(fēng)冷的永磁直驅(qū)電機(jī)外，其最大的特點(diǎn)便是采用了全碳化硅功率半導(dǎo)體技術(shù)。由于采用完全的SiC半導(dǎo)體技術(shù)替代傳統(tǒng)IGBT技術(shù)，大大提升了變流器的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)正弦輸出電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)永磁直驅(qū)電機(jī)方案，使得電機(jī)的損耗得到顯著降低，因此可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自然冷卻。
聽(tīng)起來(lái)很“高大上”，關(guān)于碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)在列車上的具體應(yīng)用確實(shí)大有學(xué)問(wèn)，今天我們就來(lái)了解一下碳化硅功率半導(dǎo)體器件。
電子電力技術(shù)發(fā)展史
電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出的第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的，70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（POWER-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展，這些第二代全控非自鎖型器件的應(yīng)用，使電力電子技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動(dòng)體積小，開(kāi)關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，高頻、高壓、大功率等特點(diǎn)使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件，也標(biāo)志著電力電子技術(shù)變頻時(shí)代的到來(lái)。因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展很大程度上是由電力電子器件的發(fā)展推動(dòng)的。
目前半導(dǎo)體功率器件的主流產(chǎn)品即高頻場(chǎng)控器件IGBT，已經(jīng)發(fā)展到第六代，商業(yè)化IGBT己經(jīng)發(fā)展到第五代，高頻場(chǎng)控器件IGBT及其模塊己經(jīng)涵蓋了600V-6.5KV的電壓，1A-3500A的電流。以德國(guó)英飛凌公司提供的產(chǎn)品規(guī)格為例，硅器件的工作溫度低于200°Ｃ，一般在-55°Ｃ-175°Ｃ。商用Si IGBT的擊穿電壓可達(dá)幾千伏，但目前大部分產(chǎn)品為600V-1700V，而Si MOSFET的工作電壓為20V-900V。
碳化硅功率器件的問(wèn)世
SiC SBD由Infineon公司推出。在之后的十余年中，包括Cree、Rohm、IXYS、IR、Tran SiC在內(nèi)的一些國(guó)際知名的半導(dǎo)體器件公司在碳化硅功率器件領(lǐng)域進(jìn)行研究，并推出了一系列商業(yè)化產(chǎn)品。歐美和日本的許多知名院校和科研機(jī)構(gòu)，也在不斷地進(jìn)行碳化硅半導(dǎo)體器件的理論研究，該領(lǐng)域的論文數(shù)量逐年上升。這些研究為各公司推出商業(yè)化碳化硅器件奠定了良好的科研基礎(chǔ)，為碳化硅器件的穩(wěn)步發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。
（碳化硅半導(dǎo)體材料及器件的發(fā)展過(guò)程）
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些高校和研究所，如西安電子科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等，對(duì)碳化硅器件的基板制作和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，與一些半導(dǎo)體廠商開(kāi)展合作，并取得了一定的成果，為國(guó)內(nèi)碳化硅器件的商業(yè)化做出了貢獻(xiàn)。此外，國(guó)內(nèi)關(guān)于碳化硅半導(dǎo)體器件的論文數(shù)量也在逐年上升，在SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)策略等方面的研究尤為突出，但是在碳化硅電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方面的研究還相對(duì)較少。
碳化硅功率器件的特點(diǎn)
迄今為止，大多數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器均采用硅材料的功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，但由于硅材料本身特性的約束，器件性能難以大幅提升，使其進(jìn)一步的發(fā)展受到很大限制。為突破這一限制，研究人員將目光集中到幾種寬禁帶半導(dǎo)體材料上，如碳化硅、氮化鎵等。與傳統(tǒng)硅器件相比，它具有電子飽和速度高、雪崩臨界擊穿電場(chǎng)高、介電常數(shù)低、工作溫度及熱導(dǎo)率高、導(dǎo)通電阻低、開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗低等眾多優(yōu)勢(shì)，適用于高電壓等級(jí)、高耐溫需求、高開(kāi)關(guān)速度、高功率密度等場(chǎng)合，是電力電子功率半導(dǎo)體領(lǐng)域Si材料的首選“繼承者”。
（不同半導(dǎo)體材料特性對(duì)比）
碳化硅材料功率器件的特點(diǎn)主要有：
（1）寬禁帶
碳化硅禁帶寬度是硅的三倍，當(dāng)溫度升高時(shí)，器件不會(huì)因?yàn)楸菊骷ぐl(fā)急劇増加而失去阻斷作用，因此碳化硅功率半導(dǎo)體器件可以工作在600°Ｃ的高溫環(huán)境中，這為減小甚至撤除散熱系統(tǒng)從而提高電力電子裝置功率密度創(chuàng)造了條件。
（2）高擊穿電場(chǎng)
臨界擊穿電場(chǎng)是硅的十幾倍，這使得碳化硅功率半導(dǎo)體器件具有更高的耐壓能力，也就是說(shuō)在相同的耐壓前提下，碳化硅功率半導(dǎo)體器件漂移區(qū)可以做得更薄，大大減小了器件尺寸；此外，功率半導(dǎo)體器件通態(tài)電阻Ron與材料臨界擊穿電場(chǎng)的立方成反比，加之器件尺寸減小，因此碳化硅功率半導(dǎo)體器件的通態(tài)損耗要比硅基同等級(jí)器件小很多，提高了系統(tǒng)的效率和功率密度。
（3）高熱導(dǎo)率
熱導(dǎo)率是硅的三倍，加快了器件散熱速度，減小了器件對(duì)散熱系統(tǒng)的依賴，因此可以提高系統(tǒng)的功率密度。
（4）高載流子飽和速率
載流子飽和速率是硅的10倍，減小了碳化硅功率半導(dǎo)體器件通態(tài)電阻Ron，同時(shí)大幅提高了器件工作頻率，高頻特性良好。此外，碳化硅還具有相當(dāng)高的臨界位移能，是硅的2-4倍，這使得碳化硅功率半導(dǎo)體器件具有更高的抗電磁沖擊和抗輻射破壞的能力。
（SiC和IGBT功率模塊的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比)
碳化硅功率半導(dǎo)體器件的分類
碳化硅功率半導(dǎo)體器件主要有碳化硅二極管（SBD、JBS、PiN）、碳化硅單極型功率晶體管（JFET、MOSFET）、碳化硅雙極型功率晶體管（BJT、IGBT、GTO）等�，F(xiàn)階段最常見(jiàn)也最有應(yīng)用前景的碳化硅電力電子器件是SiC MOSFET和SiC SBD。
1、SiC MOSFET
功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開(kāi)關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，是目前硅基器件中應(yīng)用最為廣泛的功率開(kāi)關(guān)器件。然而硅材料中，耐壓高的器件單位面積導(dǎo)通電阻也較大，Si MOSFET常用于200V以下場(chǎng)合，雖然經(jīng)過(guò)特殊處理的CoolMOS耐壓能夠達(dá)到900V，但價(jià)格比較昂貴，所以在600V以上的較高電壓應(yīng)用中，主要采用的開(kāi)關(guān)器件是IGBT。由于IGBT向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，所以導(dǎo)通電阻比MOSFET小得多，但是另一方面因?yàn)樯倭枯d流子的堆積，關(guān)斷過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)尾電流，產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗。碳化硅材料漂移層的阻抗比硅器件低，不用通過(guò)電導(dǎo)率調(diào)制仍可以在較高的開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)髙耐壓和低導(dǎo)通損耗。同時(shí)MOSFET在應(yīng)用中不會(huì)出現(xiàn)尾電流，因此以SiC MOSFET代替Si MOSFET可以大大降低開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)散熱部件小型化，并且Si MOSFET驅(qū)動(dòng)電路與現(xiàn)有的Si MOSFET和Si IGBT驅(qū)動(dòng)電路高度匹配，因此SiC MOSFET是最受矚目的碳化硅功率開(kāi)關(guān)器件。
2、碳化硅二極管
從2001年Infineon公司首先推出商業(yè)化SiC SBD開(kāi)始，到目前為止，多家公司都推出了優(yōu)秀的SiC SBD產(chǎn)品，其中最為突出的有Cree公司于2015年推出的1700V/25A的SiC SBD和Rohm公司于2017年推出的1200V/40A的SiC SBD等。除了SBD外，SiC PiN（PN結(jié)間摻雜本征半導(dǎo)體）二極管和JBS（結(jié)勢(shì)壘肖特基）二極管也取得了不錯(cuò)的研究進(jìn)展。
3、其他碳化硅器件
其他常見(jiàn)的碳化硅器件包括JFET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管）、BJT（雙極結(jié)型晶體管）、IGBT等。Infineon、Cree、Rohm和Semisouth等多家公司對(duì)此都有研究，推出了部分商業(yè)化的器件，但一些相關(guān)技術(shù)尚不成熟，還處于繼續(xù)研發(fā)的階段。
現(xiàn)階段，可采用新型IGBT器件替換SiC器件，而面向未來(lái)則首選SiC器件。雖然SiC功率模塊的成本十分高昂，但不可忽視其未來(lái)技術(shù)發(fā)展?jié)摿统杀镜拇蠓认陆怠Ｒ虼�，基于碳化硅的變流裝置將是城軌車輛牽引系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
參考來(lái)源：
[1]米乾寶等.碳化硅MOSFET在永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用研究綜述
[2]石宏康.基于碳化硅功率器件的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究
[3]傅亞林等.以碳化硅功率模塊及永磁電機(jī)為特征的新一代牽引系統(tǒng)研究
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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