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碳化硅器件的分类及典型应用

碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体，可在更高温度、电压及频率环境正常工作，同时消耗电力更少，持久性和可靠性更强，将为下一代更小体积、更快速度、更低成本、更高效率的电力电子产品提供飞跃的机遇 。
碳化硅电力电子器件技术的进步及产业化，将在高压电力系统开辟全新应用，对电力系统变革产生深远影响 。碳化硅电力电子器件优异的高效、高压、高温和高频特性，使其在家用电器、电机节能、电动汽车、智能电网、航天航空、石油勘探、自动化、雷达与通信等领域有很大应用潜力 。
碳化硅电力电子器件介绍
1.碳化硅（SiC）的定义
碳化硅（SiC）电力电子器件是指采用第三代半导体材料SiC制造的一种宽禁带电力电子器件，具有耐高温、高频、高效的特性 。按照器件工作形式，SiC电力电子器件主要包括功率二极管和功率开关管 。功率二极管包括结势垒肖特基（JBS）二极管、PiN二极管和超结二极管;功率开关管主要包括金属氧化物半导体场效应开关管（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、双极型开关管（BJT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极可关断晶闸管（GTO）和发射极可关断晶闸管（ETO）等 。
2.技术优势
碳化硅半导体的优异性能使得基于碳化硅的电力电子器件与硅器件相比具有以下突出的优点：
（1）具有更低的导通电阻 。在低击穿电压（约50V）下，碳化硅器件的比导通电阻仅有1.12uΩ，是硅同类器件的约1/100 。在高击穿电压（约5kV）下，比导通电阻提高到25.9mΩ，却是硅同类器件的约1/300 。更低的导通电阻使得碳化硅电力电子器件具有更小的导通损耗，从而能获得更高的整机效率 。
（2）具有更高的击穿电压 。例如：商业化的硅肖特基二极管通常耐压在300V以下，而首个商业化的碳化硅肖特基二极管的电压定额就已经达到了600V;首个商业化的碳化硅MOSFET电压定额为1200V，而常用的硅MOSFET大多在1kV以下 。
（3）更低的结-壳热阻，使得器件的温度上升更慢 。
（4）更高的极限工作温度，碳化硅的极限工作稳定可有望达到600℃以上，而硅器件的最大结温仅为150℃ 。
【碳化硅器件的分类及典型应用】（5）更强的抗辐射能力，在航空等领域应用可以减轻辐射屏蔽设备的重量 。
（6）更高的稳定性，碳化硅器件的正向和反向特性随温度的变化很小 。
（7）更低的开挂损耗 。碳化硅器件开关损耗小，在几十千瓦功率等级能够工作在硅器件难以实现的更高开关频率（》20kHz）状态 。
3.主要分类
（1）碳化硅肖特基二极管
肖特基势垒二极管（SBD）作为一种单极性器件，在导通过程中没有额外载流子注入和储存，因而基本没有反向恢复电流，其关断过程很快，开关损耗很小 。但是硅的肖特基势垒较低，硅SBD的反向漏电流偏大，阻断电压较低，只能用于一二百伏的低压场合在电压较高的场合通常采用PiN二极管，但其反向恢复电流较大，开关损耗大 。由于碳化硅材料的临界雪崩击穿电场强度较高，制作反向击穿电压超过1000V的碳化硅SBD相对比较容易 。
基于SiC的这些独特优势，Cree等半导体器件商生产出单个器件电流等级1-20A，电压等级为300V、600V和1200V的高压SiC肖特基二极管产品，表1给出了目前国际上主要的碳化硅SBD制造商和其商业化器件的水平，其中Cree公司刚刚推出其最新的1700V电压等级的碳化硅SBD 。在高压开关应用中，SiC肖特基二极管能提供近乎理想的性能 。它几乎没有正向恢复电压，因而能够立即导通，不同于结电容，它的储存电荷也非常小，能迅速关断 。
碳化硅器件的分类及典型应用
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（2）碳化硅功率晶体管
美国SemiSouth公司对碳化硅JFET进行了深入的研究，是目前国际上商业化碳化硅JFET器件的主要供应商，其SiCJFET产品的最高电压定额达到1700V，最大电流定额为30A 。
由于硅MOSFET的优越特性和成功应用，碳化硅MOSFET成为碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件 。美国的Cree公司率先在碳化硅MOSFET研究方面取得突破，推出了10A/1200V和20A/1200V两款商业化的碳化硅MOSFET产品，成为目前国际上唯一提供商业化分立碳化硅MOSFET的厂商 。日本的罗姆公司也正在积极推进其碳化硅MOSFET的商业化进程 。这些最初的SiCN沟道DMOSFET主要针对1200V的应用场合，这个电压等级SiCMOSFET比现在的Si器件具有更大的优势 。
碳化硅器件的典型应用
1.5G基建——通信电源
通信电源是服务器、基站通讯的能源库，为各种传输设备提供电能，保证通讯系统正常运行 。碳化硅MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，电源整体效率更高；碳化硅肖特基二极管反向恢复几乎为零的特性使其在许多PFC电路中具有广阔的应用前景 。例如，在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中，使用650V/10A碳化硅肖特基二极管，可以帮助客户实现满载效率大于等于95%的高技术要求 。
2.新能源汽车充电桩——充电桩电源模块
新能源汽车行业的快速发展带动了充电柱的需求增长，对新能源电动汽车而言，提升充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标 。在充电桩电源模块中使用碳化硅器件，可以实现充电桩电源模块的高效化和高功率化，进而实现充电速度的提升和充电成本的降低 。
3.大数据中心、工业互联网——服务器电源
服务器电源是服务器能源库，服务器提供电能，保证服务器系统正常运行 。在服务器电源中使用碳化硅功率器件，可以提升服务器电源的功率密度和效率，整体上缩小数据中心的体积，实现数据中心整体建设成本的降低，同时实现更高的环保效率 。例如，在3kW服务器电源模块中，在图腾柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以显著提升服务器电源的效率，实现更高的效率要求 。
4．特高压——应用柔性输电直流断路器
特高压作为大型系统工程，将催发从原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是输电端特高压直流输电中FACTS柔性输电技术和变电端电力电子变压器（PET）的关键器件 。直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一，其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响 。使用传统硅基器件设计直流断路器需要多级子单元串联，在直流断路器中使用高电压碳化硅器件可以大大减少串联子单元数量，是行业研究的重点方向 。
5.城际高铁和城际轨道交通——牵引变流器、电力电子变压器、辅助变流器、辅助电源
未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求 。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统 。碳化硅器件可以实现设备进一步高效率化和小型化，在轨道交通方面具有巨大的技术优势 。日本新干线N700S已经率先在牵引变流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整车的重量，实现更高的运载效率和降低运营成本 。
责任编辑人：CC
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