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动压活塞杆位置监测器 317-2AJ12 CPU317SE
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电牵引技术的不断发展要求电力电子器件具有更高的功率密度、更高的工作温度、更小的功率损耗、更快的开关速度。以硅(Silicon-Si)材料为基础的电力电子器件因大功率场效应晶体管(功率MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等新型电力电子器件的应用而日趋成熟。随着器件结构设计及制造工艺的完善,当前器件的性能已经接近Si材料的理论极限。目前,以碳化硅(SiC)为代表的第三代宽禁带半导体电力电子器件已经实现商品化,在牵域表现出的潜力。
SiC材料较大的禁带宽度(3.26eV)使其相比于Si材料(1.12eV)具有很大的优势:本征载流子浓度低20个数量级,临界击穿电场高10倍,热导率高3倍,电子饱和漂移速率高1倍等。这些特性使得SiC电力电子器件在高温、高频及阻断电压等方面突破Si材料的极限。
目前,SiC电力电子器件已经在600V-1700V中低压领域实现了产业化,Cree、Rohm、Infineon等公司可批量供应大电流50A的SiC SBD及MOSFET产品,其应用已显著提高系统工作频率及整机效率。高压SiC器件早在2003年已有报道,然而受晶体质量及相关工艺限制,其产业正在发展中。机车牵引、高压直流输变电等领域目前正小批量试用高压SiC器件,系统性能提升明显。
我国高铁建设目前已拥有世界水平,但牵引用SiC电力电子器件及应用尚处于初期阶段。2013年开始,中国中车永济电机及株洲时代电气开始进行SiC器件封装及应用研究,希望通过应用推动整个SiC电力电子产业链的发展,追赶国外技术的脚步。
2 SiC电力电子器件
SiC器件在高阻断电压下依然有很小的导通电阻,因此SiC器件的研究开始集中在肖特基势垒二极管(SBD)、MOSFET等少数载流子器件上。
2.1 SiC SBD
SiC SBD为单极性器件,没有少数载流子的注入及自由电荷的存储,具有几乎理想的反向恢复特性,适合在高压、高频及高温条件下工作。
由于高压下SiC肖特基势垒比Si薄,进一步提高SiC SBD的反向电压会受到隧穿势垒引起的反向漏电流限制。为了充分发挥SiC临界击穿电场高的优势,通常采用JBS、MPS等结构降低肖特基接触处电场强度,获得了较好的器件特性。
SiC SBD是发展为成熟的SiC电力电子器件,适用于600V-3300V阻断电压范围。Cree、Rohm、Microsemi、Infineon等公司SiC SBD已经应用于变频或者逆变装置中替换Si基快恢复二极管,显著提高了工作频率和整机效率。然而由于SiC开关器件发展的相对滞后,因此目前在牵引、工业变频等领域的普遍做法是将SiC SBD和Si IGBT芯片封装在一起以形成大功率开关器件,以降低器件开关损耗。
2.2 SiC MOSFET
SiC是具有热氧化层的宽禁带半导体材料,因此可以直接借鉴Si 基MOSFET的设计、制造经验和生产设备。同时,SiC MOSFET与现有Si基MOSFET、IGBT驱动电路兼容,因此SiC MOSFET是发展快的开关器件。
SiC MOSFET早期发展存在一些问题,如沟道迁移率低和栅氧化层可靠性问题。目前,迁移率问题通过埋沟、高温气氛氧化等设计、工艺技术得到基本解决。可靠性方面,350°C下栅氧化层依旧具有良好的可靠性,目前已经不是限制SiC MOSFET发展的瓶颈。
2012年,日本Rohm公司通过优化工艺条件及器件结构,改善了晶体质量,实现了SiC SBD与SiC MOSFET一体化封装,解决了1200V级别逆变器中使用Si IGBT及FRD(快恢复二极管)而导致功率转换损耗较大的问题。该产品在降低器件工作损耗70%以上的同时还实现了100kHz以上更高的工作频率,推动了外围部件小型化的发展。预计在今后5-10年时间,SiC MOSFET将替代Si IGBT成为主流电力电子开关器件。
2.3 SiC JFET
由于SiC MOSFET结构存在的不特性,使得同样为单级性开关器件的SiC JFET(结型场效应晶体管)受到了重视,并与SBD、MOSFET率先实现了商业化。SiC JFET还具有阈值电压随温度稳定性好、高温可靠性高等优点,是目前发展较快的SiC开关器件。
然而栅极P-N结工作方式的特点对器件应用也带来了很多不利的影响,如常通型、高米勒电容(Miller Capacitor)效应、高负栅关断电压等问题。这使得SiC JFET不能直接替代Si MOSFET及IGBT,使用时需要对驱动电路作出相应的调整,以器件安全可靠的工作。
目前,SiC JFET器件已经实现一定程度的产业化,主要以Infineon、SiCED及Semisouth公司的产品为主。产品电压等级在600V、1200V、1700V,单管电流高达20A,模块电流等级达到100A以上。2013年,Rockwell 公司采用600V/SiC增强型JFET以及SiC SBD并联制作了2三相电机驱动模块,与当时的Si IGBT模块相比较,同等功率下芯片面积减少40%,同时损耗及开关过电压、过电流问题降低明显。
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