中國粉體網(wǎng)訊 3月24日，蘇州市軌道交通3號線工程車輛全碳化硅永磁直驅(qū)列車全球首發(fā)活動在蘇州市軌道交通3號線滸墅關(guān)車輛段舉行。
(圖片來源于網(wǎng)絡(luò))
除了采用走行風(fēng)冷的永磁直驅(qū)電機外，其最大的特點便是采用了全碳化硅功率半導(dǎo)體技術(shù)。由于采用完全的SiC半導(dǎo)體技術(shù)替代傳統(tǒng)IGBT技術(shù)，大大提升了變流器的開關(guān)頻率，實現(xiàn)了準(zhǔn)正弦輸出電壓來驅(qū)動永磁直驅(qū)電機方案，使得電機的損耗得到顯著降低，因此可以實現(xiàn)電機的自然冷卻。
聽起來很“高大上”，關(guān)于碳化硅半導(dǎo)體技術(shù)在列車上的具體應(yīng)用確實大有學(xué)問，今天我們就來了解一下碳化硅功率半導(dǎo)體器件。
電子電力技術(shù)發(fā)展史
電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標(biāo)志的，70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）、電力場效應(yīng)管（POWER-MOSFET）為代表的全控型器件全速發(fā)展，這些第二代全控非自鎖型器件的應(yīng)用，使電力電子技術(shù)進入了新的發(fā)展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管為代表的復(fù)合型器件集驅(qū)動體積小，開關(guān)速度快，通態(tài)壓降小，載流能力大于一身，高頻、高壓、大功率等特點使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件，也標(biāo)志著電力電子技術(shù)變頻時代的到來。因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展很大程度上是由電力電子器件的發(fā)展推動的。
目前半導(dǎo)體功率器件的主流產(chǎn)品即高頻場控器件IGBT，已經(jīng)發(fā)展到第六代，商業(yè)化IGBT己經(jīng)發(fā)展到第五代，高頻場控器件IGBT及其模塊己經(jīng)涵蓋了600V-6.5KV的電壓，1A-3500A的電流。以德國英飛凌公司提供的產(chǎn)品規(guī)格為例，硅器件的工作溫度低于200°Ｃ，一般在-55°Ｃ-175°Ｃ。商用Si IGBT的擊穿電壓可達幾千伏，但目前大部分產(chǎn)品為600V-1700V，而Si MOSFET的工作電壓為20V-900V。
碳化硅功率器件的問世
SiC SBD由Infineon公司推出。在之后的十余年中，包括Cree、Rohm、IXYS、IR、Tran SiC在內(nèi)的一些國際知名的半導(dǎo)體器件公司在碳化硅功率器件領(lǐng)域進行研究，并推出了一系列商業(yè)化產(chǎn)品。歐美和日本的許多知名院校和科研機構(gòu)，也在不斷地進行碳化硅半導(dǎo)體器件的理論研究，該領(lǐng)域的論文數(shù)量逐年上升。這些研究為各公司推出商業(yè)化碳化硅器件奠定了良好的科研基礎(chǔ)，為碳化硅器件的穩(wěn)步發(fā)展做出了巨大的貢獻。
（碳化硅半導(dǎo)體材料及器件的發(fā)展過程）
近年來，國內(nèi)一些高校和研究所，如西安電子科技大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等，對碳化硅器件的基板制作和技術(shù)應(yīng)用進行了深入研究，與一些半導(dǎo)體廠商開展合作，并取得了一定的成果，為國內(nèi)碳化硅器件的商業(yè)化做出了貢獻。此外，國內(nèi)關(guān)于碳化硅半導(dǎo)體器件的論文數(shù)量也在逐年上升，在SiC MOSFET驅(qū)動策略等方面的研究尤為突出，但是在碳化硅電機驅(qū)動器方面的研究還相對較少。
碳化硅功率器件的特點
迄今為止，大多數(shù)電機驅(qū)動器均采用硅材料的功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，但由于硅材料本身特性的約束，器件性能難以大幅提升，使其進一步的發(fā)展受到很大限制。為突破這一限制，研究人員將目光集中到幾種寬禁帶半導(dǎo)體材料上，如碳化硅、氮化鎵等。與傳統(tǒng)硅器件相比，它具有電子飽和速度高、雪崩臨界擊穿電場高、介電常數(shù)低、工作溫度及熱導(dǎo)率高、導(dǎo)通電阻低、開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗低等眾多優(yōu)勢，適用于高電壓等級、高耐溫需求、高開關(guān)速度、高功率密度等場合，是電力電子功率半導(dǎo)體領(lǐng)域Si材料的首選“繼承者”。
（不同半導(dǎo)體材料特性對比）
碳化硅材料功率器件的特點主要有：
（1）寬禁帶
碳化硅禁帶寬度是硅的三倍，當(dāng)溫度升高時，器件不會因為本征激發(fā)急劇増加而失去阻斷作用，因此碳化硅功率半導(dǎo)體器件可以工作在600°Ｃ的高溫環(huán)境中，這為減小甚至撤除散熱系統(tǒng)從而提高電力電子裝置功率密度創(chuàng)造了條件。
（2）高擊穿電場
臨界擊穿電場是硅的十幾倍，這使得碳化硅功率半導(dǎo)體器件具有更高的耐壓能力，也就是說在相同的耐壓前提下，碳化硅功率半導(dǎo)體器件漂移區(qū)可以做得更薄，大大減小了器件尺寸；此外，功率半導(dǎo)體器件通態(tài)電阻Ron與材料臨界擊穿電場的立方成反比，加之器件尺寸減小，因此碳化硅功率半導(dǎo)體器件的通態(tài)損耗要比硅基同等級器件小很多，提高了系統(tǒng)的效率和功率密度。
（3）高熱導(dǎo)率
熱導(dǎo)率是硅的三倍，加快了器件散熱速度，減小了器件對散熱系統(tǒng)的依賴，因此可以提高系統(tǒng)的功率密度。
（4）高載流子飽和速率
載流子飽和速率是硅的10倍，減小了碳化硅功率半導(dǎo)體器件通態(tài)電阻Ron，同時大幅提高了器件工作頻率，高頻特性良好。此外，碳化硅還具有相當(dāng)高的臨界位移能，是硅的2-4倍，這使得碳化硅功率半導(dǎo)體器件具有更高的抗電磁沖擊和抗輻射破壞的能力。
（SiC和IGBT功率模塊的主要技術(shù)參數(shù)對比)
碳化硅功率半導(dǎo)體器件的分類
碳化硅功率半導(dǎo)體器件主要有碳化硅二極管（SBD、JBS、PiN）、碳化硅單極型功率晶體管（JFET、MOSFET）、碳化硅雙極型功率晶體管（BJT、IGBT、GTO）等。現(xiàn)階段最常見也最有應(yīng)用前景的碳化硅電力電子器件是SiC MOSFET和SiC SBD。
1、SiC MOSFET
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)通電阻和高穩(wěn)定性，是目前硅基器件中應(yīng)用最為廣泛的功率開關(guān)器件。然而硅材料中，耐壓高的器件單位面積導(dǎo)通電阻也較大，Si MOSFET常用于200V以下場合，雖然經(jīng)過特殊處理的CoolMOS耐壓能夠達到900V，但價格比較昂貴，所以在600V以上的較高電壓應(yīng)用中，主要采用的開關(guān)器件是IGBT。由于IGBT向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，所以導(dǎo)通電阻比MOSFET小得多，但是另一方面因為少量載流子的堆積，關(guān)斷過程中會出現(xiàn)尾電流，產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。碳化硅材料漂移層的阻抗比硅器件低，不用通過電導(dǎo)率調(diào)制仍可以在較高的開關(guān)頻率下實現(xiàn)髙耐壓和低導(dǎo)通損耗。同時MOSFET在應(yīng)用中不會出現(xiàn)尾電流，因此以SiC MOSFET代替Si MOSFET可以大大降低開關(guān)損耗，實現(xiàn)散熱部件小型化，并且Si MOSFET驅(qū)動電路與現(xiàn)有的Si MOSFET和Si IGBT驅(qū)動電路高度匹配，因此SiC MOSFET是最受矚目的碳化硅功率開關(guān)器件。
2、碳化硅二極管
從2001年Infineon公司首先推出商業(yè)化SiC SBD開始，到目前為止，多家公司都推出了優(yōu)秀的SiC SBD產(chǎn)品，其中最為突出的有Cree公司于2015年推出的1700V/25A的SiC SBD和Rohm公司于2017年推出的1200V/40A的SiC SBD等。除了SBD外，SiC PiN（PN結(jié)間摻雜本征半導(dǎo)體）二極管和JBS（結(jié)勢壘肖特基）二極管也取得了不錯的研究進展。
3、其他碳化硅器件
其他常見的碳化硅器件包括JFET（結(jié)型場效應(yīng)管）、BJT（雙極結(jié)型晶體管）、IGBT等。Infineon、Cree、Rohm和Semisouth等多家公司對此都有研究，推出了部分商業(yè)化的器件，但一些相關(guān)技術(shù)尚不成熟，還處于繼續(xù)研發(fā)的階段。
現(xiàn)階段，可采用新型IGBT器件替換SiC器件，而面向未來則首選SiC器件。雖然SiC功率模塊的成本十分高昂，但不可忽視其未來技術(shù)發(fā)展?jié)摿统杀镜拇蠓认陆�。因此，基于碳化硅的變流裝置將是城軌車輛牽引系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。
參考來源：
[1]米乾寶等.碳化硅MOSFET在永磁同步電機驅(qū)動中的應(yīng)用研究綜述
[2]石宏康.基于碳化硅功率器件的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)研究
[3]傅亞林等.以碳化硅功率模塊及永磁電機為特征的新一代牽引系統(tǒng)研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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