碳化硅功率器件的研究進展

目前市場上出現(xiàn)的碳化硅半導體包括的類型相對較多，常見的主要有二極管、金屬氧化物、半導體場效應、晶體管、晶閘管、結算場、效應晶體管等等這些不同類型的碳化硅器件，單元結構和漂移區(qū)參雜以及厚度之間存在較為明顯的差異。那么下文主要針對不同類型的碳化硅功率器件的相關內(nèi)容進行分析。

2.1碳化硅二極管

【資料圖】

碳化硅二極管的類型可分為三種類型，分別為肖特基二極 SBD、PIN 二極管以及結勢壘肖特基二極管 JBS 這幾種類型的二極管能夠承受的電壓幾乎是 4H-碳化硅單極性器件的極限，從它的耐壓度進行分析，可以發(fā)現(xiàn)它的耐壓度幾乎達到 600V，所以企業(yè)進行相關產(chǎn)品的制造， 在使用時它就具有極高的開關速度和低開態(tài)損耗。那么從阻斷電壓進行分析，可發(fā)現(xiàn)具有以上性能的碳化硅二極管及阻斷電壓非常低，但是反向漏電流卻可以達到較高的數(shù)值。那么使用其進行產(chǎn)品制造是通過與其他類型的二極管相比，可發(fā)現(xiàn)它更加適合適用于開關頻率比較高的電路中，目前市場上使用其進行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，在技術方面已達到較為成熟的狀態(tài)，特別是它具備的優(yōu)異反向恢復特性，在市場上得到了廣泛的應用。

2.2碳化硅 MOSFET

碳化硅功率 MOSFET 從結構的角度進行分析，它與硅功率 MOSFET 之間的差異無統(tǒng)計學意義。從這種產(chǎn)品的應用情況來看，使用這種類型的碳化硅功率期間進行產(chǎn)品生產(chǎn)，在電子器件方面必須要滿足動態(tài)損耗和降低靜態(tài)損耗的各項需求，除此之外還需要承受一定高度的浪涌電流，因為浪涌電流會使得器件在使用時溫度馬上升高，所以從通態(tài)的角度來看，在電阻方面屬于偏高熱期間。而且單極功率器件的通態(tài)明顯比電阻隨其阻斷電壓的提高，呈現(xiàn)出快速增大的趨勢，那么在這一方面其他類型的二極管使用和碳化硅元器件的使用可以彌補這一缺點，所以其他類型的碳化硅原器件在這一方面有很大的改進，特別是在開關速度的改變上，甚至比功 率 MOSFET 高。

2.3碳化硅 GTO

通過對多種類型的碳化硅器件進行對比和分析，可以發(fā)現(xiàn)炭化硅晶閘管器件具有多種類型碳化硅器件的優(yōu)點，例如開關頻率快，功率處置能力高，高溫特性強等等。因為它最能將碳化硅材料的特長充分發(fā)揮出來，所以在市場上的使用概率相對較高，特別是與傳統(tǒng)的硅器件相 比，可在超高溫的條件下工作，在快速開關響應速度方面和更高的阻斷能力方面，也可以滿足市場發(fā)展的需求。

2.4碳化硅 IGBT

針對碳化硅器件的實際使用情況進行分析，發(fā)現(xiàn)有部分類型的碳化硅器件，其通態(tài)電阻會隨著阻斷電壓的上升而迅速增加，但是這一特點并不能滿足所有產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，特別是在高壓領域的碳化硅器件，無法在該領域中正常使用。其中碳化硅 IGBT 器件就可以在高壓領域中 使用，而且具有非常明顯的優(yōu)勢。對該類型的碳化硅器件發(fā)展情況進行分析，因受到工藝技術的影響，它的起步時間相對較晚，發(fā)展的速度向也比較慢，它在發(fā)展的過程中存在溝道缺陷導致的可靠性以及低電子遷移率的問題。但經(jīng)過多年的研發(fā)并克服相關的電阻問題之后，它在市場上的使用效果越來越好，甚至目前已經(jīng)能夠對整個電力系統(tǒng)的應用產(chǎn)生極大的影響，特別是在高溫高壓的環(huán)境下，大部分企業(yè)會選擇該類型的碳化硅器件進行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作。

2.5碳化硅 JFET

碳化硅 JFET 與其他類型的碳化硅期間相比具有低噪音特點，除此之外還具備高輸入阻抗和線性度好的特點，是目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較為成熟的一種碳化硅功率器件。特別是在實際使用的過程中，遇到高溫環(huán)境時，其穩(wěn)定性遠遠高于其他類型的碳化硅器件，所以其自身具備的高頻特性和三級可靠性也獲得更多企業(yè)的青睞。但是之所以沒有在市場上得到進一步的推廣和應用，是因為它無法兼容通用的門極驅動器。

3.碳化硅功率器件的應用前景

3.1開關電源

最近這幾年的研究使得碳化硅功率器件的應用前景逐漸廣泛，隨著低電壓等級器件成本不斷降低，目前很多類型的碳化硅器件，在開關電源領域中的應用得到深人的推廣，特別是在阻斷電壓低于 500V 的應 用場合下，大部分類型的碳化硅元器件均可獲得較好的使用效果。就目前為止，碳化硅晶體管在開關電源領域中所占的優(yōu)勢遠遠低于其他類型的碳化硅原器件。其主要原因是用其進行開關電源產(chǎn)品的生產(chǎn)在性能，效率、成本以區(qū)體積等多個維度方面，并不占有較大的優(yōu)勢。

3.2電動汽車

通過上文的分析碳化硅功率器件的性能，與硅功率器件相比占有較大的優(yōu)勢。那么用其進行電動汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)，則能夠很好的降低電動汽車驅動系統(tǒng)的體積重量以及成本，再加上很多電動汽車在使用時各種組織的預警會產(chǎn)生高溫，而在這些高溫的背景下，利用碳化硅功率器件進行相關系統(tǒng)的組合，可以達到更好的效果。目前市場上多種類型的汽車企業(yè)都開始研究碳化硅功率器件，涌入電動汽車動力系統(tǒng)中的內(nèi)容可發(fā)現(xiàn)將其融人后，電動汽車動力系統(tǒng)的損耗可降低 50%以上。除此之外碳化硅功率器件的使用還可以更好的解決新型電路拓撲的問題。

3.3新能源發(fā)電

新能源發(fā)電是目前很多國家研空的內(nèi)容，將碳化硅應用在新能源的發(fā)電工作中的相關應用并沒有得到廣泛的普及。但是在歐洲市場中已經(jīng)常見碳化硅二級管在光伏逆交器中的應用．據(jù)了解使用碳化硅器件 光伏變換器的工作效率可提高 95%左右，而逆變器的損耗率則可隆低 1/4左右。而且通過對收集到的數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，碳化硅器件在市場上的發(fā)展深入，相關產(chǎn)品的價格可控制在較低的范圍內(nèi)。

3.4交通軌道

在交通軌道中利用碳化硅器件進行交通軌道牽引的工作！是最近這幾年來交通軌道領域研究的重點向題：目前碳化硅功庫器件連用于軌道交通牽引領域，已經(jīng)在日本的市場獲得驗證。在 2012年，東京地鐵銀座線的新 01 系列車就己經(jīng)使用碳化硅逆交器進行生產(chǎn)，其使用后可以更好地降低那邊汽車電能損耗，使得整個列車的電能再生性能得到大幅度的提升。據(jù)了解使用后的電力再生率由原來的 22.7 %低到了 50 %以上，由此可認為碳化硅逆交器的使用不僅可以更好的降低耗電量，還可以獲得更明顯的節(jié)能效果。

3.5電力系統(tǒng)

目前，智能電網(wǎng)工程的完善程度越來越南，在電力電子技術應用發(fā)展速度不斷加快的背景下，碳化硅功率器件在柔性交流輸電，電力電子交換器等多個場景當中都具有較大的應用潛能，它可以使電效提高40%以上也以電力損耗降低在 60 %以內(nèi)。

關鍵詞： 進行分析 電動汽車 開關電源