功率器件的開發(fā)應(yīng)用與實例圖解

　　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。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功率元件擁有其獨特的優(yōu)勢。

　　對于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。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，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)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)、在太陽附近執(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，因為它們不能在很高的溫度下工作，所以必須把這些器件放在低溫環(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和放大有用信號以及過濾干擾信號的能力。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)生故障對飛行安全的威脅越來越大。使用SiC半導(dǎo)體器件將會大大增強(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，任一時刻所需提供的電能應(yīng)該比實際消耗的電能多大約20％。這些過剩的電力儲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余量，因為這些電路能夠探測并立即補(bǔ)償局部電脈沖。電能存儲余量至少可以減少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?？焖匍_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)用時的獨特應(yīng)用方式。

　　下圖是功率模組的一個典型應(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，它們會出現(xiàn)的問題是損耗大、體積大、噪音大。甚至這個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，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。

　　五、總結(jié)

　　通過上面的實例，我們對SiC功率元件有了一定程度的認(rèn)識。由于 SiC功率元件在過去幾年得到了飛速的發(fā)展，目前SiC因片的體生長和外延生長技術(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)計去發(fā)揮SiC材料的超強(qiáng)性能，隨著SiC材料生長、器件制造技術(shù)的不斷成熟，會有越來越多的SiC電子產(chǎn)品進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。