1、電力電子中的碳化硅SiCSiC in Power EleCtro nicsVaIker Demuth, Head of PrOdUCt Ma nageme nt Compo nent, SEMlKRoN Germa ny據預測，采用 SiC的功率模塊將進入諸如可再生能源、UPS電源、驅動器和汽車等應用。風電和牽引應用可能會隨之而來。到2021年，SiC功率器件市場總額預計將上升到10億美元1。在某些市場，如太陽能，SiC器件已投入運行，盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力，即使價格更 高也心甘情愿地被接受？首先，作為寬禁帶材料，SiC提供了功率半導體器件

2、的新設計方法。傳統功率硅技術中，IGBT開關被用于高于600V的電壓，并且硅PIN-續流二極管是最先進的。硅功率器件的設計與軟開關特性造成相當 大的功率損耗。有了 SiC的寬禁帶，可設計阻斷電壓高達15kV的高壓MOSFET同時動態損耗非常小。有了SiC，傳統的軟關斷硅二極管可由肖特基二極管取代，并帶來非常低的開關損耗。作為一個額外的優勢，SiC具有比硅高3倍的熱傳導率。連同低功率損耗，SiC是提高功率模塊中功率密度的一種理想材料。目前可用的設計是SiC混合模塊（IGBT和SiC肖特基二極管）和全 SiC模塊。SiC混合模塊SiC混合模塊中，傳統IGBT與SiC肖特基二極管一起開關。 雖然Si

3、C器件的主要優勢是與低動態損耗 相關，但 首先討論SiC肖特基二極管的靜態損耗。通常情況下，SiC器件的靜態損耗似乎比傳統的硅器件更高。圖1.a顯示了傳統軟開關600V賽米控CAL HD續流二極管的正向壓降 Vf ,為低開關損耗而優化的快速硅二極管和 SiC肖特基二 極管，所有的額定電流為 10 A。圖1.a中：25C和150C下不同續流二極管的正向電流與正向壓降。對比了 10A的SiC肖特基二極管，傳統的軟開關硅二極管（CAL HD）和快速硅二極管（硅快速）。1.b :同一二極管的正向壓降和電流密度（正向電流除以芯片面積）。在10A的額定電流下，硅續流二極管展現出最低的正向壓降，SiC肖特基

4、二極管的 Vf更高，而快速硅二極管展現出最高的正向壓降。正向電壓與溫度之間的關聯差別很大：快速硅二極管具有負的溫度系數，150°C下的Vf比25°C下的X低。對于12A以上的電流，CAL的溫度系數為正，SiC肖特基二極管即使電流為 4A時，溫度系數也為 正。由于二極管通常并聯以實現大功率器件，需要具有正溫度系數以避免并聯二極管中的電流不平衡和運行溫度不均勻。這里，SiC肖特基二極管顯示出最佳的性能。但與常規硅二極管相比，SiC肖特基二極管的靜態損耗較高。由于二極管是基于10A額定電流進行比較的，考慮不同供應商的器件之間有時不同的額定電流定義是很重要的。為 了更加深入地了解器

5、件性能，畫出電流密度（正向電流除以芯片面積）與正向壓降之間的關系是有用的，它考慮到 了芯片的面積。圖1.b顯示了等效電流密度，傳統硅二極管和SiC肖特基二極管具有非常相似的正向壓降，而快速硅二極管的Vf仍然是最高的。換句話說，當使用相同的芯片面積時，硅二極管和SiC二極管具有可比的靜態損耗。通常SiC芯片尺寸更小，由于額度電流的確考慮到了靜態和動態損耗，額定電流，所以帶來較小的總損耗，因此縮 小了芯片的尺寸。看一下SiC肖特基二極管的動態損耗，可以清楚地看到SiC器件的主要優點，見表,lm 瞎口 IlTl帶 mTJe7flUUI;* IlIr3 CTIIlnIT；I!制CAL HDSiUSiT

6、ASTUlIEctt In/IH- L-J U Hl'L 闔O V1 1 W A-總 93TC750TOOTdu Fji;m In AHSS1O8,2； 二'':, :!：!，, I" ： .!" , ： , *!,：,：J口fw m PCOBO980.J6EIr IsinTt iT RInLJ： ¢,284 *：,0Clfi0,024 II.g.表1:傳統硅續流二極管（CAL HD、SiC肖特基二極管和快速硅二極管的動態參數。所有二極管額定電壓1200V,額度電流10A。于常規硅二極管相比，SiC肖特基二極管的反向恢復電流IRR慶低50%

7、A上，反向恢復電荷 QR降低了 14倍，關斷損耗Eoff降低了 16倍。Si-快速二極管顯示了比常規硅二極管更好的特性，但它不會達到SiC肖特基二極管那樣的優異動態特性。由于 SiC肖特基二極管動態損耗低，可以顯著減少逆變器損耗，節約用于冷卻的開支并且增加逆 變器的功率密度。此外，低動態損耗使SiC肖特基二極管非常適合高開關頻率。另一方面，快速開關的續流二極管可能有個缺點，反向電流非常陡峭的下降可能導致電流截止和振蕩。在使用 硅二極管的情況下，電流截止是由軟關斷特性控制的。圖2比較了在CAL HD和SiC肖特基續流二極管的關斷特性。SiSiC.V 1 <V4； 11RFW 4r: &qu

8、ot;rv£1E + AflN 4 JQRtSfTr-i-r=HW rt*f 7M-=W 林科 ZQntt.2t-H圖2:硅二極管和SiC續流二極管關斷特性。SiC二極管的關斷損耗幾乎看不岀來。由于SiC二極管的關斷損耗小，反向電流迅速下降,使得反向電流和電壓上的振蕩小。有了硅基CAL HD二極管，能夠觀測到 CAL硅續流二極管眾所周知的軟關斷行為。由于反向電流平滑地減小， 沒有看到電壓尖峰和振蕩。另一方面，軟關斷行為會帶來顯著的關斷損耗，因為當二極管上的電壓上升時有相當大 的反向電流流過。SiC肖特基二極管基本上沒有顯示出任何的反向恢復電荷，因此關斷損耗非常低。由于反向電流 的迅速

9、減小，產生小的振蕩，可以在反向電流和壓降中見到紋波。在我們的例子中，SiC肖特基二極管的快速關斷行為通過優化 DCB上的芯片布局和模塊的低雜散電感進行處理。因此，電壓振蕩很小，不會導致顯著過電壓尖峰。因此，能夠管理快速開關二極管的缺點，并通過優化的模塊設計充分利用SiC肖特基二極管的優點。圖 3中，通過對比傳統硅模塊和帶有快速硅IGBT和SiC肖特基二極管的SiC混合模塊顯示出 SiC二極管的優點。SOoOoooO0 5 0 5 0 53 3 2 2 II £1 匚巴號UIndlnO+70%10203040 So 6070switching frequency in kHz圖3:傳統

10、硅三相橋模塊的輸岀電流（1200V 450A溝道型IGBT+CA續流二極管）和SiC混合三相橋模塊（1200V 300A快速IGBT和SiC肖特基二極管）。安裝在水冷散熱器上的SKiM93模塊的熱損耗計算。正如所料，SiC肖特基二極管的優異動態特性顯著增加了模塊的輸出功率。給定芯片設置，該設置被選擇用于 較高開關頻率下實現最佳性能，30kHz下的可用輸出電流可以增加超過 70%隨著開關頻率的進一步升高，混合 SiC模塊所帶來的好處甚至更大。較低的損耗和由此而產生更大模塊級功率輸出可以以幾種方式被利用。逆變器的重 量和體積可顯著減少，這對諸如汽車和航空航天應用很重要。利用高開關頻率，采用較小的L

11、C濾波器是可能的，這可以減少逆變器尺寸和成本。最后但并非最不重要的是，更低的損耗在能效方面也是顯著的優勢，對諸如太陽能、UPS和汽車應用很重要。全SiC模塊使用如SiC MoSFETS這樣的SiC開關，可進一步降低功率模塊的整體損耗。在表2中，對比了 1200V、25A的三相橋IGBT模塊和20A全SiC組件的靜態和動態損耗。25A IGBT6-pack Mini-SKiiP13AC12T420A Full-SiC6-pack Mini-SKiiP13ACM12V15VCE20A, 150 °C1,8V2,1 VEON150° C,20A, 600V2,7mJ0,9mJEO

12、FF1,9mJ0,3mJ表2: 12OoV 25A IGBT模塊（溝道型IGBT+CA二極管）與20A全SiC模塊（SiC MoSFE和SiC肖特基二極管）之間的靜態和動態損 耗對比全SiC模塊的靜態損耗高17%而動態損耗顯著降低：導通損耗低3倍，關斷損耗低超過 6倍。從而，一個完整的SiC模塊的可用輸出功率大大高于傳統的硅技術，特別是在較高的開關頻率下，如圖4.a所示。f.*wtM4IVW In khU圖4.a : 1200V 20A三相橋全SiC模塊和傳統1200V 25A三相橋IGBT模塊的輸岀功率P°ut。4.b :輸岀功率除以芯片面積表示所用 功率半導體的功率密度。熱損耗計

13、算基于風冷散熱器，40°的環境溫度。開關頻率高于20KHz時，全SiC模塊的輸出功率比IGBT模塊高100%以上。此外，輸出功率對開關頻率的依賴 也小。反過來，全 SiC功率模塊可用于非常高的開關頻率，因為與10kHz時的輸出功率相比，40kHz時的輸出功率只低28%當開關頻率低于 5kHz時，IGBT模塊顯示出較高的輸出功率。這是以內全SiC的模塊中所用的 SiC芯片組是針對非常高的開關頻率而優化的。針對較低開關頻率的優化也是可能的。再次，通過考慮用于硅和SiC芯片的芯片面積，來處理這兩個模塊的功率密度是有用的。在圖4b中，輸出功率除以芯片面積得到功率密度。全SiC模塊的功率密度比

14、IGBT模塊要高得多，甚至在開關頻率低于5kHz時。因此，通過使用更大的芯片面積來優化用于低開關頻率的全SiC模塊是可能的。只要SiC芯片尺寸合適，SiC器件可以在廣泛的開關頻率范圍內提供更高的輸出電流和輸出功率。大功率SiC器件大功率要求功率芯片和模塊大量并聯。目前，可以獲得額定電流高達200A的硅IGBT和傳統續流二極管，SiCMOSFE和肖特基二極管的最大額定電流迄今為止小于100A。因此，不得不并聯大量的 SiC晶片以實現大額定功率。考慮到SiC器件的快速開關特性和振蕩趨勢，需要低電感模塊設計和DCE基板上優化的芯片布局。在下文中，1200V、900A全SiC模塊與1300A的常規硅模

15、塊相對比。IGBT模塊利用2塊并聯的DCB基板，每個基板配有并聯的9個75A溝道IGBT,連同5個100A CAL續流二極管。為了獲得與SiC等效的功率輸出，并且由于可以獲得額定電流較低的SiC器件，全SiC模塊采用2塊DCB基板，每個基板配備有 23個20A SiC-MOSFET和 34個13.5A SiC肖特 基續流二極管。全SiC模塊中，共有46個SiC MOSFET和 68個SiC肖特基二極管被并聯。表1示給出了 Si和全SiC模塊基本數據的對比。1300A IGBT900A Full-SiCRhIGBT /0.040 K/W0.022 K/WSiC-MOSFETRhDiode/SiC

16、-SChOttky0.056 KIW0.033 KIWVCE900A, 150 °C1.7 V3.4 VESWitCh150°C220mJ62mJ920A700AErr diode58mJ3,7mJ920A700A表3: 12OoV 900A全SiC模塊和其1300A IGBT等效器件的電氣及熱特性數據。對比熱數據，全SiC模塊顯示出比傳統硅模塊更低的熱阻。這是由于與Si相比，SiC具有更高的熱傳導率和更好的熱擴散能力：在此布局中，4個SiC二極管芯片在相同的空間上代替1個硅二極管。SiC器件更低的熱阻是特別重要的，因為在這種情況下硅芯片使用了21 cm2的總面積，而 全S

17、iC模塊只用了 10 cm2。與硅模塊的通態損耗相比，全SiC模塊的通態損耗更高。SiC肖特基二極管的正向壓降也是這樣。全SiC模塊的動態損耗非常低：SiC MOSFET的開關損耗比硅IGBT低4倍，SiC肖特基二極管的損耗低 8-9倍。較低的動態損耗和更好的散熱帶來相當高的功率輸出，如圖5所示。馳M騎相歸“圖5: 1200V, 900A全 SiC模塊和1300A IGBT模塊輸岀電流的對比。熱損耗計算基于為風冷散熱器，60°的環境溫度。即使在4kHz的低開關頻率下，全 SiC模塊的優點也是顯而易見的：可用輸出電流可提高85%再次，認識到 SiC并不局限于非常高開關頻率是很重要的。換

18、句話說，與采用傳統硅IGBT技術相比，逆變器的模塊部分可小近2倍，這是一個優點，特別是在高功率應用中，如風力發電。多年來，風力渦輪機的功率在增加，隨著標準功率約為 2-4MW風電已裝機容量達 7.5MW可用于電源逆變器的空間仍然是受限的，減少逆變器的尺寸，不僅解決了空間問 題，同時也減少了運輸和安裝成本。總結在模塊層面上，SiC主要有兩個好處：更小的芯片尺寸和更低的動態損耗。在系統層面上，這些優勢可被以多 種方式利用。低動態損耗帶來輸出功率的顯著增加，將提供減輕重量和減小體積的機會。值得一提的是，無需額外的冷卻能力就可實現功率的增加。因為與硅器件相比， SiC 帶來實際的損耗減少，可能在相同的

19、冷卻條件下得到更 高的輸出功率。低的功率損耗能提高能效，允許設計高效率的逆變器，例如用于太陽能和UPS應用。此外，低動態損耗使得SiC器件非常適用于 20kHz以上的較高開關頻率。利用高開關頻率，可以減少LC濾波器的成本和尺寸。根據所使用的芯片面積，在4kHz的低開關頻率下也可以展示SiC的優點。SiC的其它優點涉及到增強的散熱和正溫度系數，這對并聯的的SiC芯片很重要。所有這一切都使得 SiC在廣泛的可能應用范圍內成為非常有吸引力的材料。 然而， SiC 功率器件的價格仍然較高，造成混合和全 SiC 模塊的價格比傳統的硅解決方案要高得多。這些較高的成 本限制了市場準入， SiC 解決方案主要應用于高端應用中。成本評估表明，在許多應用中，為了實現積極的商業案 例， SiC 模