功率器件的開(kāi)發(fā)應用與實(shí)例圖解

　　隨著(zhù)全球能源的日趨緊張，節能節電迫在眉睫。電能轉換是節能節電的重要環(huán)節。在電能轉換過(guò)程中，轉換期間的能量損失是影響節能節電的重要因素，始終成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。硅功率半導體器件經(jīng)歷了由雙極晶體管、晶閘管，到功率MOSFET及當今倍受青睞的絕緣柵場(chǎng)效應管（IGBT）的發(fā)展過(guò)程，它使電力電子節能節電取得了很大的進(jìn)步。

　　一、SiC功率元件擁有其獨特的優(yōu)勢。

　　對于SiC來(lái)說(shuō)，它是具有成本效益的大功率高溫半導體器件是應用于微電子技術(shù)的基本元件。SiC是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優(yōu)勢。由于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達 600℃，而Si器件的最高工作溫度局限在175℃。SiC器件的高溫工作能力降低了對系統熱預算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導率、高擊穿電場(chǎng)強度、高飽和漂移速率、高熱穩定性和化學(xué)惰性，其擊穿電場(chǎng)強度比同類(lèi)Si器件要高?？梢哉f(shuō)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，SiC的發(fā)展前景是十分明朗的！

　　二、功率元件SiC器件的應用現狀

　　隨著(zhù)現代電力電子技術(shù)的高頻大功率化的發(fā)展，開(kāi)關(guān)器件在應用中潛在的問(wèn)題越來(lái)越凸出，開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的電壓、電流過(guò)沖，影響到了逆變器的工作效率和工作可靠性。為解決以上問(wèn)題，過(guò)電流保護、散熱及減少線(xiàn)路電感等措施被積極采用，緩沖電路和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)也得到了廣泛的研究，取得了迅速的進(jìn)展。利用功率元件能夠很好地解決上述的問(wèn)題。

　　絕緣柵雙極性晶體管igbt是一種新型的電力電子器件，它綜合了gtr和 mosfet的優(yōu)點(diǎn)，控制方便、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、安全工作區大。隨著(zhù)電壓、電流等級的不斷提高，igbt成為了大功率開(kāi)關(guān)電源、變頻調速和有源濾波器等裝置的理想功率開(kāi)關(guān)器件，在電力電子裝置中得到非常廣泛的應用。

　　SiC 器件在高溫、高頻、大功率、高電壓光電子及抗輻照等方面具有巨大的應用潛力。

　　1 SiC器件在高溫環(huán)境中的應用

　　在航空航天和汽車(chē)設備中，電子器件經(jīng)常要在高溫下工作，如飛機發(fā)動(dòng)機、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機、在太陽(yáng)附近執行任務(wù)的航天器以及衛星中的高溫設備等。使用通常的Si或者 GaAs器件，因為它們不能在很高的溫度下工作，所以必須把這些器件放在低溫環(huán)境中，這里有兩種處理方法：一種是把這些器件放在遠離高溫的地方，然后通過(guò)引線(xiàn)和連接器將它們和所需控制的設備連接起來(lái)；另一種是把這些器件放在冷卻盒中，然后放在高溫環(huán)境下。很明顯，這兩種方法都會(huì )增加額外的設備，增加了系統的質(zhì)量，減小了系統可用的空間，使得系統的可靠性變差。如果直接使用可以在高溫下工作的器件，將可以消除這些問(wèn)題。SIC器件可以直接工作在3M—枷Y，而不用對高溫環(huán)境進(jìn)行冷卻處理。

　　2 SiC器件的微波應用

　　SiC器件除了可以在高溫下工作以外，還具有很多優(yōu)良的微波特性。

　　關(guān)鍵的航空無(wú)線(xiàn)電設備依賴(lài)于前端射頻接收器探測和放大有用信號以及過(guò)濾干擾信號的能力。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)電波頻譜越來(lái)越擁擠，由射頻干涉引起的導航和定位航空設備發(fā)生故障對飛行安全的威脅越來(lái)越大。使用SiC半導體器件將會(huì )大大增強射頻接收器電路的抗干擾能力。與Si混頻器相比，SiC混頻器成功地將Si接收器電路中的射頻干擾減弱到原來(lái)的十分之一。

　　3 SiC智能功率器件在電力系統中的應用

　　先進(jìn)的SiC功率電子器件能夠提高公用電力系統的效率和可靠性。當前，任一時(shí)刻所需提供的電能應該比實(shí)際消耗的電能多大約20％。這些過(guò)剩的電力儲存為的是確保電力服務(wù)能夠穩定和可靠。以免受到日常負載變化和局部故障的影響。將智能功率器件和電源陣列結合起來(lái)能大大地降低所必需的電能存儲余量，因為這些電路能夠探測并立即補償局部電脈沖。電能存儲余量至少可以減少5％，這將大大節約能源。相同的智能功率技術(shù)也可以把現有輻電線(xiàn)所能傳送的電能提高大約50％。

　　三、溫度對功率MOSFET傳輸特征影響

　　MOSFET 在開(kāi)通的過(guò)程中，RDS（ON）從負溫度系數區域向正溫度系數區域轉化；在其關(guān)斷的過(guò)程中，RDS（ON）從正溫度系數區域向負溫度系數區域過(guò)渡。 MOSFET串聯(lián)等效的柵極和源極電阻的分壓作用和柵極電容的影響，造成晶胞單元的VGS的電壓不一致，從而導致各個(gè)晶胞單元電流不一致，在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中形成局部過(guò)熱損壞?？焖匍_(kāi)通和關(guān)斷MOSFET，可以減小局部能量的聚集，防止晶胞單元局部的過(guò)熱而損壞。開(kāi)通速度太慢，距離柵極管腳較近的區域局部容易產(chǎn)生局部過(guò)熱損壞，關(guān)斷速度太慢，距離柵極管腳較遠的區域容易產(chǎn)生局部過(guò)熱損壞。

　　四、SiC功率元件的典型事例

　　SiC功率模組在開(kāi)關(guān)損耗與浪涌電壓上均有應用，他與常見(jiàn)的Si IGBT模組比較，最大可減少92%的開(kāi)關(guān)損耗。如下圖可視，我們根據曲線(xiàn)的情況可以發(fā)現出SiC功率模組在應用時(shí)的獨特應用方式。

　　下圖是功率模組的一個(gè)典型應用示例-內置模組的馬達。我們知道現有系統的馬達是和功率控制裝置分離的，就正如圖片所示的逆變器等功率控制裝置跟馬達的連接，它們會(huì )出現的問(wèn)題是損耗大、體積大、噪音大。甚至這個(gè)功率控制裝置承受不了馬達的高溫，體積難以做到精細。但當我們采用把模組內置于馬達時(shí)，它能在高溫下工作、體積也可以做到很少。小型、低功耗和低噪聲就是將來(lái)的發(fā)展方向和重點(diǎn)。

　　五、總結

　　通過(guò)上面的實(shí)例，我們對SiC功率元件有了一定程度的認識。由于 SiC功率元件在過(guò)去幾年得到了飛速的發(fā)展，目前SiC因片的體生長(cháng)和外延生長(cháng)技術(shù)已經(jīng)可以得到應用于商業(yè)生產(chǎn)的SiC圓片通過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化器件與電路的設計去發(fā)揮SiC材料的超強性能，隨著(zhù)SiC材料生長(cháng)、器件制造技術(shù)的不斷成熟，會(huì )有越來(lái)越多的SiC電子產(chǎn)品進(jìn)入應用領(lǐng)域。