碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

1、碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望碳化硅功率器件的發(fā)展現(xiàn)狀及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用展望摘要：摘要：碳化硅作為一種寬禁帶材料，具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高壓、大功率、高頻、高溫應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件。該文對(duì)碳化硅功率半導(dǎo)體器件的最新發(fā)展進(jìn)行回顧，包括碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT，并對(duì)其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：碳化硅；功率器件；電力系統(tǒng)1引言引言理想的

2、半導(dǎo)體功率器件，應(yīng)當(dāng)具有這樣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間，能承受高的didt和dudt，具有低的開關(guān)損耗，并具有全控功能。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)（自20世紀(jì)50年代硅晶閘管的問世），半導(dǎo)體功率器件的研究工作者為實(shí)現(xiàn)上述理想的器件做出了不懈的努力，并已取得了世人矚目的成就。各類硅基功率半導(dǎo)體器件（功率二極管、VDMOS、IGBT、IGCT等）被成功制

3、造和應(yīng)用，促使各種新型大功率裝置成功地應(yīng)用于各種工業(yè)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力牽引、電能質(zhì)量控制、可再生能源發(fā)電、分布式發(fā)電、國(guó)防和前沿科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。然而由于在電壓、功率耐量等方面的限制，這些硅基大功率器件在現(xiàn)代高性能電力電子裝置中（要求具有變流、變頻和調(diào)相能力；快速的響應(yīng)性能~ms；利用極小的功率控制極大功率；變流器體積小、重量輕等）不得不采用器件串、并聯(lián)技術(shù)和復(fù)雜的電路拓?fù)鋪?lái)達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，導(dǎo)致裝置的故障率和成本大大增加，制約了現(xiàn)代

4、電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來(lái)，作為新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料——碳化硅（SiC），因其出色的物理及電特性，正越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。碳化硅功率器件的重要優(yōu)勢(shì)在于具有高壓(達(dá)數(shù)萬(wàn)伏)、高溫(大于500℃)特性，突破了硅基功率器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于150℃)限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)步，各種碳化硅功率器件被研發(fā)出來(lái)，如碳化硅功率二極管、MOSFET、IGBT等，由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響，碳化硅功率器件

5、率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級(jí)在600~1700V。近兩年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓碳化硅器件已經(jīng)問世，如19.5kV的碳化硅二極管[1]，10kV的碳化硅MOSFET[2]和13~15kV[34]碳化硅IGBT等，并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅基功率器件的道路上取得進(jìn)步。這些碳化硅功率器件的成功研發(fā)帶來(lái)了半導(dǎo)體功率器件性能的飛Schottky，JBS)。在5kV阻斷電壓以下的范圍，碳化硅結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管是較好的選擇。JBS二極

6、管結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和PIN結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。把JBS二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合PIN肖特基結(jié)二極管(mergedPINSchottky，MPS)。由于碳化硅二極管基本工作在單極型狀態(tài)下，反向恢復(fù)電荷量基本為零，可以大幅度地減少二極管反向恢復(fù)引起的自身瞬態(tài)損耗以及相關(guān)的IGBT開通瞬態(tài)損耗，非常適用于開關(guān)頻率較高的電路。PIN結(jié)二極管在4~5kV或者以上的電壓時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，由于其內(nèi)部

7、的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻，使得它比較適用于高電壓應(yīng)用場(chǎng)合。有文獻(xiàn)報(bào)道阻斷電壓為14.9和19.5kV的超高壓PIN二極管，其正向和反向?qū)ㄌ匦匀鐖D1所示，在電流密度為100Acm2時(shí)，其正向壓降分別僅為4.4和6.5V[1]。這種高壓的PIN二極管在電力系統(tǒng)，特別是高壓直流輸電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.32.3碳化硅碳化硅MOSFETMOSFET器件器件功率MOSFET具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高