【導讀】電力電子轉換器在快速發展的工業格局中發揮著至關重要的作用。它們的應用正在增加，并且在眾多新技術中發揮著核心作用，包括電動汽車、牽引系統、太空探索任務、深層石油開采系統、飛機系統等領域的進步。
電力電子轉換器在快速發展的工業格局中發揮著至關重要的作用。它們的應用正在增加，并且在眾多新技術中發揮著核心作用，包括電動汽車、牽引系統、太空探索任務、深層石油開采系統、飛機系統等領域的進步。
電力電子電路不斷發展以實現更高的效率，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物場效應晶體管（MOSFET）等電力電子設備為令人興奮的創新打開了大門。硅（Si）基功率器件長期以來一直主導著市場，但由于較低的帶隙和電擊穿場，其性能已達到極限。因此，開關頻率、阻斷電壓和工作溫度存在限制。
隨著采用寬帶隙（WBG）材料設計的革命性新器件的引入，可以克服這些限制。碳化硅（SiC）是一種寬帶隙材料，已經上市約二十年。SiC的固有載流子密度要小得多，允許高溫操作。此外，SiC的非常高的臨界電場使我們能夠設計額定值大于10 kV的設備。SiC器件的另一個理想特性是高開關速度和低寄生電容。這是因為較小的理想比傳導電阻允許SiC芯片小于Si器件。
SiC功率器件最重要的優勢之一可能是它們能夠在更高的溫度下工作。例如，目前正在設計電動飛機，因此動力電子轉換器和電動執行器系統將需要在熱發動機附近承受高溫。同樣，電動汽車的溫度也可能在很寬的范圍內變化。功率器件在惡劣環境中工作的能力對于許多新興工業應用至關重要。幸運的是，與硅器件相比，第三代半導體材料氮化鎵（GaN）和SiC功率器件表現出越來越優越的特性。從理論上講，SiC器件的WBG是硅的三倍，因此可以實現約600°C的結溫。
以下是對有前途的碳化硅功率器件的簡要介紹。
二極管
碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD）是2001年上市的第一款商用碳化硅功率器件。SBD是SiC材料和肖特基二極管結構的組合，是Si PIN二極管的完美替代品。SBD優于Si PIN二極管的最重要特性是其快速反向恢復特性。它不僅有望提高效率，而且由于反向恢復電流低，二極管關斷期間的轉換器振蕩和電磁干擾（EMI）問題也減少了。
該二極管的另一個變體是SiC結勢壘肖特基二極管（JBS）。大多數商業化的SiC二極管都基于JBS結構，其中幾個P+區域組合成肖特基區域。因此，很大一部分電場被推離肖特基勢壘，向P+區的下部區域推進。通過這種方式，可以降低關斷狀態漏電流，并且不會影響JBS二極管的速度。另一種類型的SiC二極管是SiC PIN二極管，非常適合在10 kV至20 kV范圍內工作，因為電導率調制可有效降低漂移區域電阻。
碳化硅開關
在許多工業應用中，功率半導體器件的阻斷電壓要求約為1.2至3.3 kV。碳化硅MOSFET屬于這一類。與Si IGBT相比，SiC MOSFET中的多數載流子導通機制可顯著降低開關損耗。碳化硅MOSFET在結構上可分為兩種類型：規劃器和溝槽。雙植入金屬氧化物場效應晶體管（DIMOSFET）是規劃器SiC MOSFET的一個例子。
除了提高電氣性能外，可靠性是SiC MOSFET創新背后的另一個驅動力。此外，在航空航天應用和核電站中，所使用的功率器件必須能夠承受輻射。碳化硅MOSFET已被證明在這些環境中工作良好。SiC結場效應晶體管（JFETS）自2006年以來已上市。
碳化硅BJT非常可靠，非常適合高溫環境。然而，缺點是驅動電流需要恒定穩定，隨著溫度的升高，電流增益減小，驅動損耗增加。對于10 kV及更高電壓，SiC IGBT非常合適。
結語
SiC功率器件所展示的卓越動態特性為以前不切實際的電路鋪平了道路。與傳統的硅功率半導體器件相比，SiC電力電子器件具有許多優點，包括提高轉換器效率，減少體積和重量以及更簡單的散熱組件。
但是，大規模采用SiC功率轉換器仍然具有挑戰性。SiC技術在電氣系統中的應用需要詳細了解系統架構，包括EMI和熱問題。另一個因素是SiC器件的成本相對較高。然而，基于SiC的轉換器可以徹底改變新興的工業系統和技術，如太陽能逆變器，電動汽車，感應加熱器和牽引系統等。這些設備的未來是有希望的。
（來源：國晶微半導體）
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