功率器件的開發(fā)應(yīng)用與實(shí)例圖解

　　隨著全球能源的日趨緊張，節(jié)能節(jié)電迫在眉睫。電能轉(zhuǎn)換是節(jié)能節(jié)電的重要環(huán)節(jié)。在電能轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換期間的能量損失是影響節(jié)能節(jié)電的重要因素，始終成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。硅功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了由雙極晶體管、晶閘管，到功率MOSFET及當(dāng)今倍受青睞的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（IGBT）的發(fā)展過程，它使電力電子節(jié)能節(jié)電取得了很大的進(jìn)步。

　　一、SiC功率元件擁有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　對(duì)于SiC來說，它是具有成本效益的大功率高溫半導(dǎo)體器件是應(yīng)用于微電子技術(shù)的基本元件。SiC是寬帶隙半導(dǎo)體材料，與Si相比，它在應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢(shì)。由于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達(dá) 600℃，而Si器件的最高工作溫度局限在175℃。SiC器件的高溫工作能力降低了對(duì)系統(tǒng)熱預(yù)算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、高飽和漂移速率、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度比同類Si器件要高?？梢哉f隨著技術(shù)的發(fā)展，SiC的發(fā)展前景是十分明朗的！

　　二、功率元件SiC器件的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻大功率化的發(fā)展，開關(guān)器件在應(yīng)用中潛在的問題越來越凸出，開關(guān)過程引起的電壓、電流過沖，影響到了逆變器的工作效率和工作可靠性。為解決以上問題，過電流保護(hù)、散熱及減少線路電感等措施被積極采用，緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)也得到了廣泛的研究，取得了迅速的進(jìn)展。利用功率元件能夠很好地解決上述的問題。

　　絕緣柵雙極性晶體管igbt是一種新型的電力電子器件，它綜合了gtr和 mosfet的優(yōu)點(diǎn)，控制方便、開關(guān)速度快、工作頻率高、安全工作區(qū)大。隨著電壓、電流等級(jí)的不斷提高，igbt成為了大功率開關(guān)電源、變頻調(diào)速和有源濾波器等裝置的理想功率開關(guān)器件，在電力電子裝置中得到非常廣泛的應(yīng)用。

　　SiC 器件在高溫、高頻、大功率、高電壓光電子及抗輻照等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

　　1 SiC器件在高溫環(huán)境中的應(yīng)用

　　在航空航天和汽車設(shè)備中，電子器件經(jīng)常要在高溫下工作，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、在太陽(yáng)附近執(zhí)行任務(wù)的航天器以及衛(wèi)星中的高溫設(shè)備等。使用通常的Si或者 GaAs器件，因?yàn)樗鼈儾荒茉诤芨叩臏囟认鹿ぷ鳎员仨毎堰@些器件放在低溫環(huán)境中，這里有兩種處理方法：一種是把這些器件放在遠(yuǎn)離高溫的地方，然后通過引線和連接器將它們和所需控制的設(shè)備連接起來；另一種是把這些器件放在冷卻盒中，然后放在高溫環(huán)境下。很明顯，這兩種方法都會(huì)增加額外的設(shè)備，增加了系統(tǒng)的質(zhì)量，減小了系統(tǒng)可用的空間，使得系統(tǒng)的可靠性變差。如果直接使用可以在高溫下工作的器件，將可以消除這些問題。SIC器件可以直接工作在3M—枷Y，而不用對(duì)高溫環(huán)境進(jìn)行冷卻處理。

　　2 SiC器件的微波應(yīng)用

　　SiC器件除了可以在高溫下工作以外，還具有很多優(yōu)良的微波特性。

　　關(guān)鍵的航空無線電設(shè)備依賴于前端射頻接收器探測(cè)和放大有用信號(hào)以及過濾干擾信號(hào)的能力。隨著無線電波頻譜越來越擁擠，由射頻干涉引起的導(dǎo)航和定位航空設(shè)備發(fā)生故障對(duì)飛行安全的威脅越來越大。使用SiC半導(dǎo)體器件將會(huì)大大增強(qiáng)射頻接收器電路的抗干擾能力。與Si混頻器相比，SiC混頻器成功地將Si接收器電路中的射頻干擾減弱到原來的十分之一。

　　3 SiC智能功率器件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　先進(jìn)的SiC功率電子器件能夠提高公用電力系統(tǒng)的效率和可靠性。當(dāng)前，任一時(shí)刻所需提供的電能應(yīng)該比實(shí)際消耗的電能多大約20％。這些過剩的電力儲(chǔ)存為的是確保電力服務(wù)能夠穩(wěn)定和可靠。以免受到日常負(fù)載變化和局部故障的影響。將智能功率器件和電源陣列結(jié)合起來能大大地降低所必需的電能存儲(chǔ)余量，因?yàn)檫@些電路能夠探測(cè)并立即補(bǔ)償局部電脈沖。電能存儲(chǔ)余量至少可以減少5％，這將大大節(jié)約能源。相同的智能功率技術(shù)也可以把現(xiàn)有輻電線所能傳送的電能提高大約50％。

　　三、溫度對(duì)功率MOSFET傳輸特征影響

　　MOSFET 在開通的過程中，RDS（ON）從負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域向正溫度系數(shù)區(qū)域轉(zhuǎn)化；在其關(guān)斷的過程中，RDS（ON）從正溫度系數(shù)區(qū)域向負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域過渡。 MOSFET串聯(lián)等效的柵極和源極電阻的分壓作用和柵極電容的影響，造成晶胞單元的VGS的電壓不一致，從而導(dǎo)致各個(gè)晶胞單元電流不一致，在開通和關(guān)斷的過程中形成局部過熱損壞。快速開通和關(guān)斷MOSFET，可以減小局部能量的聚集，防止晶胞單元局部的過熱而損壞。開通速度太慢，距離柵極管腳較近的區(qū)域局部容易產(chǎn)生局部過熱損壞，關(guān)斷速度太慢，距離柵極管腳較遠(yuǎn)的區(qū)域容易產(chǎn)生局部過熱損壞。

　　四、SiC功率元件的典型事例

　　SiC功率模組在開關(guān)損耗與浪涌電壓上均有應(yīng)用，他與常見的Si IGBT模組比較，最大可減少92%的開關(guān)損耗。如下圖可視，我們根據(jù)曲線的情況可以發(fā)現(xiàn)出SiC功率模組在應(yīng)用時(shí)的獨(dú)特應(yīng)用方式。

　　下圖是功率模組的一個(gè)典型應(yīng)用示例-內(nèi)置模組的馬達(dá)。我們知道現(xiàn)有系統(tǒng)的馬達(dá)是和功率控制裝置分離的，就正如圖片所示的逆變器等功率控制裝置跟馬達(dá)的連接，它們會(huì)出現(xiàn)的問題是損耗大、體積大、噪音大。甚至這個(gè)功率控制裝置承受不了馬達(dá)的高溫，體積難以做到精細(xì)。但當(dāng)我們采用把模組內(nèi)置于馬達(dá)時(shí)，它能在高溫下工作、體積也可以做到很少。小型、低功耗和低噪聲就是將來的發(fā)展方向和重點(diǎn)。

　　五、總結(jié)

　　通過上面的實(shí)例，我們對(duì)SiC功率元件有了一定程度的認(rèn)識(shí)。由于 SiC功率元件在過去幾年得到了飛速的發(fā)展，目前SiC因片的體生長(zhǎng)和外延生長(zhǎng)技術(shù)已經(jīng)可以得到應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)的SiC圓片通過改進(jìn)和優(yōu)化器件與電路的設(shè)計(jì)去發(fā)揮SiC材料的超強(qiáng)性能，隨著SiC材料生長(zhǎng)、器件制造技術(shù)的不斷成熟，會(huì)有越來越多的SiC電子產(chǎn)品進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。