摘要：首先阐述了碳化硅材料的基本特性，介绍了碳化硅功率器件的种类及特点、典型应用。
关键词：碳化硅；功率器件
二十世纪九十年代初，以SiC和GaN为首的第三代宽禁带半导体材料带来了电力电子器件的又一次革命。以美国为首的世界发达国家在这方面投入了大量的人力物力，使SiC器件的设计、工艺等方面产生重大的突破。新材料正在成熟，新器件正在逐步走向市场。与Si相比SiC材料特性有重大提高：
1.禁带宽度是Si的3倍，器件工作温度可达300℃。
2.雪崩击穿场强是Si的10倍，器件耐压提高5-10倍。
3.通态损耗是Si的10%-25%。
4.开关损耗是Si的10-1%。
5.热导率是Si的2.5倍。
6.电流密度是Si的2-5倍。
SiC材料的这些特征正好满足了制造高压大电流、高结温、高导热率、抗辐射、高频率电力电子器件及大容量小体积、低重量、低损耗装置的需要。
根据军工产业的需求及国际上对SiC器件的开发情况，重点研制以下几种产品：
一、SiC肖特基二极管
器件具有高频率（可达1000G）、高耐压（可达10KV）、高结温（可达500℃）、抗辐射能力强等特性。
1.用于高频、高压、高温抗辐射电路中
由于硅肖特基二极管只能工作于100伏左右的电路中，且该器件随温度及电压的升高漏电流极大，因此实用性受限而硅FRD等快恢复二极管恢复时间都在50-100ns以上，且随着温度及电压的升高恢复电荷及漏电流也随之增加。SiCSBD恢复电荷基本为零，而漏电比Si PIN二极管小几个数量级且几乎不随温度及电压升高而变化，稳定性非常好。
电力电子电路性能很大程度上取决于半导体二、三极管的性能。高频功率电子装置的性能更取决于半导体器件的开关及温度性能，因此SIC 肖特基二极管与Si PINFRD相比通态损耗是其25%-10%，而开关损耗是其1%-10%。Si二极管及三极管组成的电路工作频率为100KHz，而用SiCSBD与Si超结MOS配合可达400KHz-1MHz。
2.做IGBT 的续流管
由于Si SBD的电压低漏电大，一般用Si FRD做IGBT的续流管，但Si FRD恢复时间随电压及温度的升高而增加，随频率的升高损耗越来越大。严重的限制了装置的频率。而SiC SBD及PIN管耐压高、恢复时间几乎没有且工作温度对器件及电路没有任何影响，是IGBT的最佳搭档。
3.SiC SBD做气敏传感器
利用SiC SBD对氢气、碳氢化合物、一氧化碳等很多气体都很敏感的特性，可用其做环境监测装置，特别是对高温环境下的监测。
4.微波应用
用于高压、高功率限幅器、高级混频器。
5.探测紫外光、中子、监测环境污染比Si光探测器灵敏度高几个数量级。
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二、SiC PIN二极管
SiC PIN的开关速度高于同类Si二极管2-3个数量级，结温可达500℃，同时还具有高电流密度、高功率密度、高耐压（目前已研制20KV器件）、高导热及抗辐射能力。
SiC PIN 二极管可用于先进电力网设备，能量储备、脉冲电流、雷达导热能武器、太空激光、太空探测、电子枪智能机械、超高压固态电流装置中，也可用于代替硅堆。
由于其耐高温特性，因此装置如处于高温环境、散热器的尺寸、重量可以大大减小甚至可不用散热器，从而使装置小型化、轻量化。
SiC PIN是双极器件，有很好的电导调制作用，因此高压器件比SBD压降低，更适于大电流场合。
三、SiC功率MOSFET、MESFET与IGBT
这些器件都具有频率高、耐压高、耐温高（可达200℃），导热好抗辐射特点。适于各种电流变换，各种开关电源，如电机变频驱动、高压高频通讯电源、雷达电源、不间断电源等电子电路中。
他们除可代替同类Si器件外也可替代BJT、SIT、SCR等器件。
四、SiC功率模块及智能模块
可做各种大中小功率、高中低频、高中低压、单多项开关电源、智能电源。用于电机驱动、雷达、通讯、导能、太空地面激光、太空探测、电子枪、不间断电源等。民用电焊机、高压交直流输电、轨道交通、电动汽车。
现在我国正处于大规模转型期，十三五必定是转型的关键时刻。功率电力半导体行业应抓住时机，大力开发功率SIC器件，使电力电子器件与时俱进上一个新台阶。2SiC JFET器件的产业化发展碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点，是目前发展较快的碳化硅器件之一，并且率先实现了商业化。与MOSFET器件相比，JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制，同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。另外，JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。碳化硅JFET器件的门极的结型结构使得通常JFET的阈值电压大多为负，即常通型器件，这对于电力电子的应用极为不利，无法与目前通用的驱动电路兼容。美国Semisouth公司和Rutgers大学通过引入沟槽注入式或者台面沟槽结构（TI VJFET）的器件工艺，开发出常断工作状态的增强型器件。但是增强型器件往往是在牺牲一定的正向导通电阻特性的情况下形成的，因此常通型（耗尽型）JFET更容易实现更高功率密度和电流能力，而耗尽型JFET器件可以通过级联的方法实现常断型工作状态。级联的方法是通过串联一个低压的Si基MOSFET来实现。级联后的JFET器件的驱动电路与通用的硅基器件驱动电路自然兼容。级联的结构非常适用于在高压高功率场合替代原有的硅IGBT器件，并且直接回避了驱动电路的兼容问题。
目前，碳化硅JFET器件以及实现一定程度的产业化，主要由Infineon和SiCED公司推出的产品为主。产品电压等级在1200V、1700V，单管电流等级最高可以达20A，模块的电流等级可以达到100A以上。2011年，田纳西大学报到了50kW的碳化硅模块，该模块采用1200V/25A的SiC JFET并联，反并联二极管为SiC SBD。2011年，Global Power Electronics研制了使用SiC JFET制作的高温条件下SiC三相逆变器的研究，该模块峰值功率为50kW（该模块在中等负载等级下的效率为98.5%@10kHz、10kW，比起Si模块效率更高。2013年Rockwell 公司采用600V /5A MOS增强型JFET以及碳化硅二极管并联制作了电流等级为25A的三相电极驱动模块，并与现今较为先进的IGBT、pin二极管模块作比较：在同等功率等级下（25A/600V），面积减少到60%，该模块旨在减小通态损耗以及开关损耗以及功率回路当中的过压过流。
参考文献：
[1]杨法明；杨发顺；张锗源；李绪诚；张荣芬；邓朝勇；；功率VDMOS器件的研究与发展[J]；微纳电子技术；2011年10期
[2]姚贤旺；苑伟政；乔大勇；臧博；；4H-SiC肖特基结式Alpha效应微型核电池（英文）[J]；传感技术学报；2010年10期
论文作者:韩冰冰,杨胜国
论文发表刊物:《电力设备》2017年第5期
论文发表时间:2017/5/27
标签：器件论文; 功率论文; 碳化硅论文; 电流论文; 模块论文; 可达论文; 电路论文; 《电力设备》2017年第5期论文;