新型电力电子器件-碳化硅

1、新型电力电子器件(din z q jin)碳化硅器件共三十八页共三十八页一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和du/dt，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了80年代中期，4.5kV的可关断晶闸管(GTO)得到广泛应用，并成为在接下来的10年内大功率变流器的

2、首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的阻断电压达到3.3kV之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管(IGCT)的问世，它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功率IGBT的开通(kitng)和关断损耗都相对较低，因此可以工作在13kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70MW/9000V的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定在10 -10 WHz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限。共三十八

3、页共三十八页 由于传统的硅基电力电子器件已经逼近了因寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是采用(ciyng)各种新的器件结构；二是采用(ciyng)宽能带间隙材料的半导体器件，如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)器件。 SiC是IV-IV族二元化合物半导体材料,也是元素周期表中IV族元素中唯一的一种固态碳化物。SiC由碳原子和硅原子组成,但其晶体结构具有同质多型体的特点。在半导体领域最常用的是 4H -SiC和6H-SiC两种,SiC与其它半导体材料具有相似的特性,4H-SiC的饱和电子漂移速度是Si的两倍,从而为SiC器件提供了较高的电流密度和较高

4、的跨导。高击穿特性使SiC功率器件和开关器件具有较Si和GaAs器件高3一4倍的击穿电压,高的热导率和耐高温特性保证(bozhng)了SiC器件具有较高的功率密度及高温工作的可靠性。碳化硅性质共三十八页Johnson 优良指数(JFM)表示器件高功率、高频率性能的基本限制 KFM 表示基于体管开关速度的优良指数质量因子 1(QF1)表示电力电子器件中有源器件面积和散热材料的优良指数QF2则表示理想散热器下的优良指数QF3 表示对散热器及其几何(j h)形态不加任何假设状况下的优良指数Baliga 优良指数 BHFM 表示器件高频应用时的优良指数。共三十八页碳化硅功率(gngl)二极管碳化硅 M

5、OSFET 器件碳化硅 IGBT碳化硅晶闸管碳化硅电力(dinl)电子器件共三十八页碳化硅功率(gngl)二极管 碳化硅功率二极管有 3 种类型：肖特基二极管(SBD)、PiN 二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。在5kV阻断电压以下的范围，碳化硅结势垒肖特基二极管是较好的选择。JBS 二极管结合了肖特基二极管所拥有(yngyu)的出色的开关特性和 PiN 结二极管所拥有的低漏电流的特点。把JBS二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管(MPS)。由于碳化硅二极管基本工作在单极型状态下，反向恢复电荷量基本为零，可以大幅度地减少二极管反向恢复引起的自身瞬态损耗以

6、及相关的 IGBT开通瞬态损耗，非常适用于开关频率较高的电路。共三十八页 PiN 结二极管在45 kV 或者以上的电压时具有优势，由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻，使得它比较适用于高电压应用场合。有文献报道阻断电压为14.9和19.5 kV 的超高压 PiN二极管，其正向和反向导通特性如图 2 所示，在电流密度为100 A/cm2 时，其正向压降分别仅为4.4和 6.5 V。这种高压的 PiN 二极管在电力系统，特别是高压直流输电领域具有潜在(qinzi)的应用价值。共三十八页共三十八页碳化硅 MOSFET 器件(qjin) 功率 MOSFET 具有(jyu)理想的栅极绝缘特性、

7、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性，在硅基器件中，功率 MOSFET 获得巨大成功。同样，碳化硅 MOSFE 也是最受瞩目的碳化硅功率开关器件，其最明显的优点是，驱动电路非常简单及与现有的功率器件(硅功率 MOSFET 和 IGBT)驱动电路的兼容性。碳化硅功率 MOSFET 面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。随着碳化硅 MOSFET 技术的进步，高性能的碳化硅 MOSFET 也被研发出来，已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的碳化硅 MOSFET器件。共三十八页 三菱公司报道的 1.2 kV 碳化硅 MOSFET 器件的导通比电阻为 5 mcm2，比硅基的Coo

8、lMOS的性能指数(zhsh)好 1520 倍。美国 Cree 公司报道了 8.1 mm*8.1 mm、阻断电压 10 kV、电流 20 A 的碳化硅 MOSFET 芯片，其正向阻断特性如图 3 所示。通过并联这样的芯片得到的模块可以具备 100 A 的电流传输能力。该器件在 20 V 的栅压下的通态比电阻为 127 mcm2，同时具有较好的高温特性，在200 条件下，零栅压时可以实现阻断 10 kV 电压。在碳化硅 MOSFET 的可靠性研究方面，有研究报道了在 350 下碳化硅栅氧层具有良好的可靠性。共三十八页共三十八页碳化硅 IGBT 在碳化硅 MOSFET器件中，其通态电阻随着阻断电压

9、的上升而迅速增加。在高压领域，碳化硅 IGBT 器件将具有明显的优势。由于受到工艺技术的制约，碳化硅 IGBT 的起步较晚，高压碳化硅 IGBT 面临(minlng)两个挑战：第一个挑战与碳化硅 MOSFET 器件相同，沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题；第二个挑战是N 型 IGBT 需要 P 型衬底，而 P 型衬底的电阻率比N 型衬底的电阻率高 50 倍。因此， 1999 年制成的第一个 IGBT 采用了 P 型衬底。经过多年的研发，逐步克服了 P 型衬底的电阻问题， 2008 年报道了13 kV 的 N 沟道碳化硅 IGBT 器件，比导通电阻达到 22 mcm2。共三十八页 图 5

10、对 15 kV 的 N-IGBT 和MOSFET 的正向导通能力做了一个比较，结果显示，在结 温 为 300 K 时，在芯片 功耗密度为200 W/cm2 以下的条件下， MOSFET 可以获得更大的电流密度，而在更高的功耗密度条件下， IGBT可以获得更大的电流密度。 但是(dnsh)在结温为 127 时，IGBT 在功耗密度为导通比 MOSFET 更高的电流密度。同一年，该团队还报道了阻断电压达到 12 kV 的 P 沟道碳化硅IGBT，导通比电阻达到 14 mcm2。新型高温高压碳化硅 IGBT 器件将对大功率应用，特别是电力系统的应用产生重大的影响。在15 kV 以上的应用领域，碳化硅

11、 IGBT 综合了功耗低和开关速度快的特点， 相对于碳化硅的 MOSFET以及硅基的 IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势，特别适用于高压电力系统应用领域。共三十八页共三十八页碳化硅晶闸管 在大功率的工频开关应用中，比如高压直流输电(HVDC)、动态无功功率补偿(bchng)、超大电流电解等， 晶闸管以其耐压高、 通态压降小、通态功耗低而具有较大优势。对碳化硅晶闸管的研究主要集中在 GTO 上。 碳化硅门级换流晶闸管(SiC GT)的研发也受到特别的关注。 2006 年有研究报道了面积为 8mm*8 mm 的 SiCGT 芯片，其导通峰值电流高达200A。 2010 年报道了单芯片脉冲电流

12、达到 2 000A 的 SiCGT 器件，如图 6 所示。共三十八页在电力系统(din l x tn)中的应用 较之传统的电力系统控制设备而言，现代电力电子装置具有一系列特点：变流、变频和调相能力；快速的响应性能(数ms)；利用极小的功率控制极大功率；可实现高精度控制(对于 5060 Hz 系统，器件触发相位可精确到 0.1)；变流器体积小、重量轻等。因此近年来电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用都得到了广泛的应用，但是与其它应用领域相比，电力系统要求电力电子装置具有更高的电压，更大的功率容量和更高的可靠性。由于在电压、功率耐量方面的限制，上述这些(zhxi)硅基大功率器件不得不采用器件

13、串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求，导致装置的故障率和成本大大增加，制约了现代电力电子技术在现代电力系统中的应用。共三十八页 作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电特性，正越来越受到产业界的广泛(gungfn)关注。碳化硅电力电子器件的重要系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于 500 )特性，突破了硅基功率半导体器件电压(数 kV)和温度(小于 150 )限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅功率器件被研发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在 6001 700

14、V。 随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器件的道路上取得进步。随着高压碳化硅功率器件的发展，已经研发出了 19.5 kV 的碳化硅二极管， 3.1 kV和 4.5 kV 的门极可关断晶闸管(GTO)，10 kV 的碳化硅 MOSFET和 1315 kV碳化硅IGBT 等。它们的研发成功以及未来可能的产业化，将在电力系统中的高压领域开辟全新的应用，对电力系统的变革产生深远的影响。共三十八页固态变压器柔性交流输电静止无功补偿(bchng)高压直流输电共三十八页固态(gti)变压器 随着分布式发电系统、智能电网技术以及可再生能源的发展，固态变压器作为其中的关键技术受到广泛关注

15、。固态变压器技术被 MIT Technology Review 选 为 2011 年 的 Top Ten Emerging Technology。 固态变压器是一种以电力电子技术为核心的变电装置，它通过电力电子变流器和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递及控制，以取代电力系统中的传统的工频变压器。与传统电力变压器相比，具有体积小、重量轻等优点，同时具有传统变压器所不具备的诸多优点，包括供电质量高、功率因数高、自动(zdng)限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换以及便于自动(zdng)监控等优点。 将固态变压器应用到电力系统后，将会给电力系统带来许多新的特点，有助于解决电力系统

16、中所面临的许多问题。固态变压器的输入侧电压等级非常高，一般在数千至数万伏，目前多采用拓扑或器件串联的方式，结构较为复杂。图 7 所示为 10 kVA的固态变压器示意图 。共三十八页 目前在世界上对固态变压器的研究主要包括：欧盟的 UNIFLEX-PM(未来电网通用灵活电能管理先进功率变流器)项目，每相采用(ciyng) 4 个 H 桥串联来承受 1.9 kV 电压；美国 FREEDM(未来可再生能源利用和分配管理中心 )的第一代固态变压器采用6.5 kV 的 HV-IGBT， 每相 3 个 H 桥串联来承受 7.2 kV电压；第二代固态变压器将基于 15 kV 的碳化硅MOSFET，不再使用器

17、件或拓扑串联，开关频率有望从原来的 1kHz 提升到 20 kHz。新兴的碳化硅电力电子器件，特别是 15kV以上碳化硅 MOSFET、IGBT 的出现，将有利于固态变压器的结构简化及可靠性提升。共三十八页柔性交流输电(shdin)系统 电力电子技术(jsh)应用的发展，促成了近年来交流电网中的一个前沿领域柔性交流输电系统(FACTS)的诞生。FACTS 是指电力电子技术与现代控制技术结合， 以实现对交流输电系统电压、相位角、品质、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。 FACTS 技术中的核心是各种以电力电子技术或者其他静止设备为基础的

18、FACTS 控制器，对 AC 输电系统的一个或者多个参数进行有效控制，使得原先基本不可控的输电网变得可以全面控制，以达到电力系统安全、可靠和经济运行。 FACTS 技术及其控制器是随着电力电子技术及其功率器件的发展而发展的。由于输电网高压、大功率的特性， FACTS 技术主要采用晶闸管、GTO、 IGBT 等器件，随着 IGCT 器件的发展，可以用 IGCT 器件代替 GTO 器件实现新型的电压源变流器，不仅实现更高的耐压，而且可以切换 45 kA的电流。由于硅器件自身物理限制，在更高电压等级或者功率等级的 FACTS 控制器的应用，仍然受到制约。碳化硅功率器件固有的高耐压特性，随着其器件水平

19、的不断发展，在 FACTS技术中必然越来越受到重视。共三十八页静止(jngzh)无功补偿器 静 态 同 步 补 偿 器 (STATCOM)是一种重要的柔性(ru xn)交流输电系统控制器， 用于潮流控制、 无功补偿和提高系统稳定性，具有体积小、响应速度快以及连续可调等优点。 基 于 二 电 平 电 压 源 逆 变 器 (VSC)的 STATCOM 尽管结构简单，但需要高压大功率的电力电子器件，目前的硅器件尚不能满足这种高压大容量输电系统要求。因此，通常需要将多个逆变器通过变压器(多重化技术)或者多电平技术进行组合，以实现系统要求。共三十八页 目前 STATCOM 多采用 GTO、 IGBT 及

20、 IGCT等全控型器件作为开关。 如 IGCT 其耐压可达 6.5 kV，通断电流(dinli)可达 4 000 A。但在输电系统中，其电压电流等级仍然偏小，需要依靠多电平拓扑或器件串联，来提高耐压能力。 第一个 STATCOM 于 1986 年由美国西屋公司和 EPRI 共 同 开 发 ，容 量 电 压 等 级 为 1 Mvar/13.2 kV，基于 GTO 器件，采用二重化变压器耦合。目前最大的 STATCOM 于 1997 年由美国西屋公司和 EPRI 共同开发，容量为320 Mvar，采用三电平八重化技术，电压等级为 138 kV，采用的 GTO 器件为 4.5 kV/4 kA。我国在

21、 1999 年基于 4.5 kV/4 kA的 GTO 器件，自主研发了20 Mvar STATCOM，采用两电平四重化变压器耦合结构。 2006 年，又自主研发了基于 IGCT 器件的50 Mvar 的 STATCOM。 图 8 所示是由直流电压源、基于GTO 的逆变器和连接变压器组成的 STATCOM 示意图。共三十八页 随着未来高压碳化硅 IGBT、 GTO 等的研发成功， STATCOM 的结构可以(ky)大大简化，同时，由于开关频率的提高，电能质量也将得到提升。在风电和太阳能等可再生能源一体化方面，无变压器STATCOM 将成为现实和得到有效应用。共三十八页直流输电(shdin)技术

22、随着电力电子技术的发展，特别是晶闸管的出现，使得采用晶闸管的高压直流输电技术得以迅速发展，其电压等级已从 500 kV 提高到 800 kV。2010 年我国成功投运了世界首个 800 kV/4 750 A 特高压直流输电工程， 图 9 所示为特高压直流换流阀，其核心是6英寸的高压晶闸管。目前我国正在开展1 100 kV 的特高压直流输电技术的研发。 1100kV的特高压直流输电技术的研发。由于换流阀工作时承受高达几百kV的电压，以及高达几千A的电流，所以(suy)传统的硅基晶闸管换流阀需要面对众多元件串联和导通损耗大的问题。随着碳化硅电力电子器件技术的发展，更大容量、更高工作温度和更高功率密

23、度的新型碳化硅SiCGT、GTO的开发，使得单个器件的耐压性能得到提高，不仅显著降低所需的电力电子器件的数量，简化换流阀的结构，同时显著降低损耗，为高压直流输电技术的发展创造更好的条件。共三十八页 轻型直流输电技术是在高压直流输电的基础上发展起来的一项新技术，其特点是直流输电两端变流器采用可关断器件构成电压源逆变器，不存在换相失败、受端系统必须提供无功(w n)容量的问题，而且可以省去换流变压器，简化换流站结构。受制于可关断硅器件水平的制约，其输电容量通常较小。图 10 是轻型直流输电中由 IGBT 构成的电压源型换流器，利用脉宽调制 (PWM)技术进行无源逆变，不但可以向无交流电源的负荷点送

24、电，在特殊情况下也可以提供无功功率。基于 VSC (电压源换流器)的轻型直流输电技术在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电等领域具有独特的优势。共三十八页 随着碳化硅 MOSFET/IGBT 等器件性能、电压等级和功率等级的提高，碳化硅电力电子器件在轻型直流输电系统(xtng)中的应用，有望进一步提高其输电容量及适用电压等级，为轻型直流输电的应用拓展带来新的机遇。共三十八页碳化硅产业化现状(xinzhung)共三十八页 碳化硅器件价格趋势(qsh)为：碳化硅二极管目前是硅肖特基二极管价格的 57 倍； 碳化硅 JFET 是硅 MOSFET 价格的 47 倍；碳化硅 MOSFE

25、T 是硅 MOSFET 价格的1015 倍。共三十八页 SiC电力电子器件中，SiC二极管最先实现产业化。2001年德国Infineon公司率先推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。很多企业在开发肖特基势垒二极管(SBD)和JBS结构二极管。目前，SiC二极管已经存在600V1700V电压等级和50A电流等级的产品。 目前实验室报道的最大容量的SiC二极管已经达到了6500V/1000A的水平。由于SiC开关管的发展相对二极管滞后，当前更普遍的做法是将SiC 二极管和Si IGBT 和MOS

26、FET器件封装在一个模块中以形成大功率开关组合。目前Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置中替换硅基快恢复二极管，显著提高了工作频率和整机效率。中低压SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领域上产生较大(jio d)的影响。SiC二极管实现(shxin)产业化共三十八页 SiC肖特基二极管的发展方向是衬底减薄技术和Trench JBS结构。衬底减薄技术能够有效地减小低压(dy)SiC肖特基二极管的导通电阻，增强器件浪涌电流能力，减小器件热阻。Infineon公司于2012年9月发布第五代SiC SBD

27、产品，首次采用衬底减薄技术。在SiC晶格里，JBS结构中离子注入p阱的深度受到限制（1um），反偏条件下浅p-n结对肖特基结的屏蔽作用不是特别明显，只有在相邻p阱之间的间距较小时才能突显出来，但同时带来的正向导通沟道宽度变窄效应使得正向导通压降显著增加。为了解决这一问题，新一代SiC肖特基二极管的发展方向是Trench JBS结构。Cree公司新一代SiC肖特基二极管同时采用Trench JBS结构和衬底减薄技术，与传统的JBS二极管相比，正反向特性都得到了改善，不仅增加了电流密度（芯片面积减小50%）;也提高了阻断电压（提高 150V）和雪崩能力。共三十八页SiC JFET器件(qjin)的

28、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公司和罗格斯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

29、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(fichng)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。共三十八页 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(n s)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。