碳化硅二极管和碳化硅MOS管你了解多少

　　本文主要是讲碳化硅二极管的应用领域与历史介绍、详解碳化硅MOS管分类及结构。硅与碳的唯一合成物就是碳化硅(SiC)，俗称金刚砂。SiC 在自然界中以矿物碳硅石的形式存在，但十分稀少。不过，自1893 年以来，粉状碳化硅已被大量生产用作研磨剂。碳化硅用作研磨剂已有一百多年的历史，主要用于磨轮和众多其他研磨应用。

　　1、LED

　　电致发光现象最早于1907 年使用碳化硅发光二极管(LED) 发现。很快，第一批商用SiC 基LED 就生产出来了。20 世纪70 年代，前苏联生产出了黄色SiC LED，20 世纪80 年代蓝色LED 在世界范围内广泛生产。后来推出了氮化镓(GaN) LED，这种LED 发出的光比SiC LED 明亮数十倍乃至上百倍，SiC LED 也因此几乎停产。然而，SiC 仍然是常用于GaN 设备的基底，同时还用作高功率LED 散热器。

　　2、避雷器

　　达到阈值电压(VT) 前，SiC 都具有较高的电阻。达到阈值电压后，其电阻将大幅下降，直至施加的电压降到VT 以下。最早利用该特性的SiC 电气应用是配电系统中的避雷器（如图）。

　　由于SiC 拥有压敏电阻，因此SiC 芯块柱可连接在高压电线和地面之间。如电源线遭雷击，线路电压将上升并超过SiC 避雷器的阈值电压(VT)，从而将雷击电流导向并传至地面（而非电力线），因此不会造成任何伤害。但是，这些SiC 避雷器在电力线正常工作电压下过于导电。因而必须串联一个火花隙。当雷击使电源线导线的电压上升时，火花隙将离子化并导电，将SiC 避雷器有效地连接在电力线和地面之间。后来，相关人员发现避雷器中使用的火花隙并不可靠。由于材料失效、灰尘或盐侵等原因，可能出现火花隙在需要时无法触发电弧，或者电弧在闪电结束后无法猝熄的情况。SiC 避雷器本来是用来消除对火花隙的依赖的，但由于其不可靠，有间隙的SiC 避雷器大多被使用氧化锌芯块的无间隙变阻器所取代。

　　3、电力电子中的SiC

　　使用SiC 生产的半导体设备有多种，包括肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，或SBD）、J 型FET（或JFET），以及用于大功率开关应用的MOSFET。SemiSouth Laboratories（已于2013 年倒闭）在2008 年推出了第一款商用1200 V JFET，Cree 在2011 年生产了第一款商用1200 V MOSFET。在此期间，一些公司也开始尝试将SiC 肖特基二极管裸芯片应用到电力电子模块中。事实上，SiC SBD 已广泛用于IGBT 电源模块和功率因数校正(PFC) 电路。

　　SiC的利与弊

　　SiC 基电力电子元件如此吸引人的一个原因就是，在既定阻断电压条件下，其掺杂密度比硅基设备几乎高出百倍。这样就可以通过低导通电阻获得高阻断电压。低导通电阻对高功率应用至关重要，因为导通电阻降低时发热少，从而减少了系统热负荷并提高了整体效率。

　　但生产SiC 基电子元器件本身也存在一些难点，消除缺陷成了最重要的问题。这些缺陷会导致SiC 晶体制成的元器件反向阻断性能较差。除了晶体质量问题，二氧化硅和SiC 的接口问题也阻碍了SiC 基功率MOSFET 和绝缘栅双极型晶体的发展。幸运的是，生产中使用渗氮工艺可使造成这些接口问题的缺陷大大降低。

　　SiC研磨片

　　碳化硅仍然在许多工业应用中用作研磨剂。其在电子行业中主要用作抛光膜，用于在拼接前为光导纤维的两端抛光。这些膜片能够给光纤接头带来有效运作所需的高光洁度。碳化硅的生产已有一百多年的历史， 但直到最近才用于电力电子行业。由于其具备特殊的物理和电气特性，在高压和高温应用中十分有用。

　　如今-碳化硅二极管在各个领域的应用

　　1.太阳能逆变器

　　太阳能发电用二极管的基本材料，碳化硅二极管的各项技术指标均优于普通双极二极管(silicon bipolar)技术。碳化硅二极管导通与关断状态的转换速度非常快，而且没有普通双极二极管技术开关时的反向恢复电流。在消除反向恢复电流效应后，碳化硅二极管的能耗降低70%，能够在宽温度范围内保持高能效，并提高设计人员优化系统工作频率的灵活性。

　　2.新能源汽车充电器

　　碳化硅二极管通过汽车级产品测试，极性接反击穿电压提高到650V，能够满足设计人员和汽车厂商希望降低电压补偿系数 的要求，以确保车载充电半导体元器件的标称电压与瞬间峰压 ，之间有充足的安全裕度 。二极管的双管产品 ，可最大限度提升空间利用率，降低车载充电器的重量。

　　3.开关电源优势

　　碳化硅的使用可以极快的切换，高频率操作，零恢复和温度无关的行为，再加我们的低电感RP包，这些二极管可以用在任向数量的快速开关二极管电路或高频转换器应用。

　　4.工业优势

　　碳化硅二极管：重型电机、工业设备主要是用在高频电源的转换器上，可以带来高效率、大功率、高频率的优势。

　　SiC器件

　　一、SiC器件分类

　　SiC-MOSFET

　　SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

　　二、碳化硅MOS的结构

　　碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式，在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在，需要非常特殊的栅介质生长方法。其沟槽星结构的优势如下：

　　SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。

　　三、碳化硅MOS的优势

　　硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

　　20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

　　碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。

　　四、碳化硅MOS管的应用

　　碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统，使用SiC MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。预计近几年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。