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功率半导体的SiC之路

发表时间:2018-03-09 10:08

纯硅功率半导体有着令人羡慕的性能与市场成绩,然而,对于高要求的功率开关和控制的应用上,它似乎已经到达了极限。在越来越多的功率电子学应用中,碳化硅 (SiC) 功率器件日益普遍,尤其是在太阳能逆变器的设计中。设计工程师尤为青睐 SiC肖特基二极管,用于开发新的逆变器设计,因为这比采用硅功率器件的逆变器更紧凑、更高效、更可靠。自从 SiC 二极管引入市场十多年来,无论是器件设计还是可靠性参数都经历了巨大的演进变化。这些变化为商业市场带来了更广泛的 SiC产品组合。碳化硅(SiC),作为一种新型化合物半导体材料,具有潜在的优点:更小的体积、更高的效率、更低的开关损耗与漏电流、比纯硅半导体更高的开关频率以及在标准的125℃结温以上工作的能力。小型化和高工作耐温使得这些器件的使用更加自如,甚至可以将这些器件直接置于电机的外壳内。

  

  图1 SiC JFET

  SiC功率半导体器件发展历程

  任何一种新技术都会经历由发展到成熟的过程,SiC 也不例外。标准功率开关,如绝缘栅双极型晶体管(IGBT),有很大的产品基础和优化的生产技术。而SiC 却需要投入大量经费和研发资金来解决材料问题和完善半导体制造技术。然而这种功率开关器件,能够在正向导通大电流和反向截止千伏电压之间快速执行开关动作,这样的性能是值得我们一试的。SiC 最初的成功应用和主要应用为发光二极管,用于汽车头灯和仪表盘其他照明场合。其他的市场包括开关电源和肖特基势垒二极管。将来会应用到包括混合动力车辆、功率转换器和交流/ 直流电机控制上。这些更高要求的应用还没有商业化,因为它们需要高质量的材料和大规模的生产力来降低成本。在全世界范围内,大量的研究经费投入到了公司和实验室,以使SiC 技术更加可行。一些专家预言,SiC技术的商业化、工业化甚至军工应用将在2 到5 年或者更远的时间内变成现实。电机控制生产商对于SiC 的发展特别有兴趣,有些甚至与研究人员和半导体生产商进行合作来促进SiC 的发展。

  

  图2 SiC 二极管发展历程

  SiC功率器件市场前景广阔

  SiC 是GaN 之外另外一种第三代半导体材料,由于性能不同,二者的应用领域也不相同。GaN 主要用在微波器件上,而SiC 则主要作为大功率高频功率器件。以SiC 为材料的二极管、IGBT、mosFET 等器件,未来有望在新能源汽车等领域取代Si功率器件。目前SiC 二极管价格是Si 二极管价格的5-7 倍,SiC 结晶场效应管价格是Si 结晶场效应管价格的5-7 倍,SiC MOSFET 价格是Si MOSFET 价格 的10-15 倍。因此若要SiC 产业迅速崛起,除了技术的不断进步之外,降低成本亦尤为关键。

  

  图3 SiC 和 GaN 取代现有硅功率器件的方向

  2014 年全球SiC 功率半导体市场仅为约2 亿美元,规模尚小,其应用领域也主要在电力供应、太阳能逆变器等领域。而未来,随着新能源汽车和工业电机不断采用SiC 材料,在8-10 年的范围内,SiC 半导体市场容量有望超过20 亿美元。目前全球SiC 半导体市场处于绝对领先的企业是Cree,占据了85%以上的市场份额。

  

  图4 全球 SiC 功率半导体市场规模预测

  SiC功率器件路途坎坷

  并不是每一个人都同意碳化硅功率器件的应用前景。ABB公司是高功率半导体的专家,但是在2002年,瑞典的联合开发中心,终止了SiC 开发项目。公司半导体研发部对于此举措的一个解释是由basel 平面断层导致的双极导通衰减效应,这反映了单纯基于高电压/高功率应用的SiC器件的前景并不明朗。ABB Switzerland Semiconductors研发部的总工程师说:“碳化硅短期上适合低电压单极型二极管,它也有潜力用于高频场合中的低功率双极晶体管和结型场效应晶体管。SiC从长远上看,它在高压应用领域还是比其他种类的开关器件更值得关注的。”

  对于SiC技术的快速开关能力,ABB Semiconductors 认为,这种高频工作能力仅在低杂散电感的环境中才适用,例如低功率/ 低压系统中。在高功率系统中,杂散电感很大,要求半导体缓慢地执行开关动作。对于SiC器件,这就意味着让它慢慢地开关,以适应缓冲器的要求,这会重新引入损耗,而这些损耗原本就是试图采用昂贵的SiC 器件来消除的。

  另外,现在SiC底层材料的价格是普通Si材料的100 倍(对于3 英寸的SiC晶片),将来或许会降至10倍。虽然SiC 晶片的质量有所提升,器件生产商可以适用更小的模具,同时保证产量,但是更大尺寸的模具的产量就很低了。相对于晶片直径6英寸和12英寸的单片集成电路二极管器件,4 英寸的SiC晶片,质量仍旧很差。Si晶片的生产次品率很低,领先SiC 功率器件5 到10 年。对于高功率SiC 器件的时间线可能更长。其他的开发人员也意识到了SiC 的缺点,但是仍在继续开发并试图改进。

  功率半导体的SiC之路期待突破

  电力电子器件的发展历史大致可以分为三个大阶段:硅晶闸管(可控硅)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和刚显露头角的碳化硅(SiC)系列大功率半导体器件。晶闸管发展已有近六十年历史,技术成熟也得到广泛应用,可以借鉴它的历史来预测碳化硅功率器件。想当初IGBT兴起时,与晶闸管参数指标相差极大,晶闸管已能做到2-3KV、2-3KA时,IGBT仅仅是电流过百、电压过千。在短短的二十几年间,IGBT从第一代迅速发展到第六代,电压和电流已与晶闸管并驾齐驱,显示出IGBT优越性能。晶闸管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶闸管干不了,在相当大的一片应用领域里IGBT因其不可替代的优越性能独居鳌头。但是晶闸管仍以其比较高的性价比守住了自己的大片阵地。碳化硅材料技术的进展已使部分碳化硅功率器件用于实际成为可能。但还有许多关键的技术问题需要解决。晶闸管电流从小到大、电压从低到高经历了数十年的风风雨雨,IGBT也有这样的一个不凡的过程。可见SiC功率器件的发展也会有一个漫长的过程。

  作者:

  李晶,北京交通大学电力电子博士,北京奥运会纯电动汽车充电站、上海世博会纯电动汽车充电站、广州亚运会纯电动汽车充电站核心研发人员。现专注于太阳能光伏发电、风力发电与智能电网等行业的分析与研究。人生格言:图难于易,为大于细。


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