SiC電力電子器件在牽引領域應用展望

西安永電電氣有限責任公司

摘要：寬禁帶半導體SiC是最有發展前途的電力電子材料，滿足牽引變流器輕量化、小型化、高效化的發展趨勢。本文闡述了SiC電力電子器件在牽引領域的應用現狀，介紹了SiC SBD、SiC MOSFET、SiC JFET及SiC IGBT的優勢及特點，論證了SiC電力電子器件在牽引領域應用面對的挑戰。

1 引言

電牽引技術的不斷發展要求電力電子器件具有更高的功率密度、更高的工作溫度、更小的功率損耗、更快的開關速度。以硅（Silicon-Si）材料為基礎的電力電子器件因大功率場效應晶體管（功率MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等新型電力電子器件的應用而日趨成熟。隨著器件結構設計及制造工藝的完善，當前器件的性能已經接近Si材料的理論極限。目前，以碳化硅（SiC）為代表的第三代寬禁帶半導體電力電子器件已經實現商品化，在牽引領域表現出巨大的潛力。

SiC材料較大的禁帶寬度（3.26eV）使其相比于Si材料（1.12eV）具有很大的優勢：本征載流子濃度低20個數量級，臨界擊穿電場高10倍，熱導率高3倍，電子飽和漂移速率高1倍等。這些特性使得SiC電力電子器件在高溫、高頻及阻斷電壓等方面突破Si材料的極限。

目前，SiC電力電子器件已經在600V-1700V中低壓領域實現了產業化，Cree、Rohm、Infineon等公司可批量供應最大電流50A的SiC SBD及MOSFET產品，其應用已顯著提高系統工作頻率及整機效率。高壓SiC器件早在2003年已有報道，然而受晶體質量及相關工藝限制，其產業正在發展中。機車牽引、高壓直流輸變電等領域目前正小批量試用高壓SiC器件，系統性能提升明顯。

我國高鐵建設目前已擁有世界領先水平，但牽引用SiC電力電子器件及應用尚處于初期階段。2013年開始，中國中車永濟電機及株洲時代電氣開始進行SiC器件封裝及應用研究，希望通過應用推動整個SiC電力電子產業鏈的發展，追趕國外先進技術的腳步。

2 SiC電力電子器件

SiC器件在高阻斷電壓下依然有很小的導通電阻，因此SiC器件的研究開始集中在肖特基勢壘二極管（SBD）、MOSFET等少數載流子器件上。

2.1 SiC SBD

SiC SBD為單極性器件，沒有少數載流子的注入及自由電荷的存儲，具有幾乎理想的反向恢復特性，適合在高壓、高頻及高溫條件下工作。

由于高壓下SiC肖特基勢壘比Si薄，進一步提高SiC SBD的反向電壓會受到隧穿勢壘引起的反向漏電流限制。為了充分發揮SiC臨界擊穿電場高的優勢，通常采用JBS、MPS等結構降低肖特基接觸處電場強度，獲得了較好的器件特性。

SiC SBD是發展最為成熟的SiC電力電子器件，適用于600V-3300V阻斷電壓范圍。Cree、Rohm、Microsemi、Infineon等公司SiC SBD已經應用于變頻或者逆變裝置中替換Si基快恢復二極管，顯著提高了工作頻率和整機效率。然而由于SiC開關器件發展的相對滯后，因此目前在牽引、工業變頻等領域的普遍做法是將SiC SBD和Si IGBT芯片封裝在一起以形成大功率開關器件，以降低器件開關損耗。

2.2 SiC MOSFET

SiC是唯一具有熱氧化層的寬禁帶半導體材料，因此可以直接借鑒Si 基MOSFET的設計、制造經驗和生產設備。同時，SiC MOSFET與現有Si基MOSFET、IGBT驅動電路兼容，因此SiC MOSFET是發展最快的開關器件。

SiC MOSFET早期發展存在一些問題，如溝道遷移率低和柵氧化層可靠性問題。目前，遷移率問題通過埋溝、高溫氣氛氧化等設計、工藝技術得到基本解決。可靠性方面，350°C下柵氧化層依舊具有良好的可靠性，目前已經不是限制SiC MOSFET發展的瓶頸。

2012年，日本Rohm公司通過優化工藝條件及器件結構，改善了晶體質量，首次實現了SiC SBD與SiC MOSFET一體化封裝，解決了1200V級別逆變器中使用Si IGBT及FRD（快恢復二極管）而導致功率轉換損耗較大的問題。該產品在降低器件工作損耗70%以上的同時還實現了100kHz以上更高的工作頻率，推動了外圍部件小型化的發展。預計在今后5-10年時間，SiC MOSFET將替代Si IGBT成為主流電力電子開關器件。

2.3 SiC JFET

由于SiC MOSFET結構存在的不完美特性，使得同樣為單級性開關器件的SiC JFET（結型場效應晶體管）受到了重視，并與SBD、MOSFET率先實現了商業化。SiC JFET還具有閾值電壓隨溫度穩定性好、高溫可靠性高等優點，是目前發展較快的SiC開關器件。

然而柵極P-N結工作方式的特點對器件應用也帶來了很多不利的影響，如常通型、高米勒電容（Miller Capacitor）效應、高負柵關斷電壓等問題。這使得SiC JFET不能直接替代Si MOSFET及IGBT，使用時需要對驅動電路作出相應的調整，以保證器件安全可靠的工作。

目前，SiC JFET器件已經實現一定程度的產業化，主要以Infineon、SiCED及Semisouth公司的產品為主。產品電壓等級在600V、1200V、1700V，單管電流最高達20A，模塊電流等級達到100A以上。2013年，Rockwell 公司采用600V/5ASiC增強型JFET以及SiC SBD并聯制作了25A三相電機驅動模塊，與當時先進的Si IGBT模塊相比較，同等功率下芯片面積減少40%，同時損耗及開關過電壓、過電流問題降低明顯。

2.4 SiC IGBT

受P型襯底電阻率高、溝道遷移率低及柵氧化層可靠性問題限制，SiC IGBT的研發工作起步較晚，1999年才有報道。經過多年的研究，目前已經逐步解決了上述問題。2008年報道的13kV N溝道SiC IGBT通態比電阻達到了22mΩ.cm²。

通過與SiC MOSFET、Si IGBT及晶閘管比較發現，在阻斷電壓15kV以上領域，SiC IGBT綜合了開關速度快及功耗低的特點，具有明顯的優勢。因此，通過不斷提升SiC IGBT芯片特性及可靠性，SiC IGBT將成為智能電網中的核心器件。

3 SiC電力電子器件在牽引領域應用面對的挑戰

3.1 芯片制造成本過高

從商業化角度看，SiC功率器件在電力電子器件市場很大，但SiC能否成功打入牽引領域市場，最終還是取決于它的性價比。目前雖已實現了6英寸4H-SiC襯底制備，但Cree公司從2英寸（1997年）擴大到商業化6英寸（2010年）零微管4H-SiC襯底花費了13年時間。同時，SiC功率器件工藝費用也很高，設備及技術掌握在國外少數幾家公司。較高的價格導致其通常應用在高溫，輻照等Si器件不能應用的領域。較小的市場維持高的成本限制了SiC功率器件的發展。

目前，同一規格SiC功率器件的價格是Si器件的5-6倍，當這一數值降到2-3倍時，SiC功率器件將會大范圍應用于電動汽車、機車、動車變流器中，推動牽引系統快速發展。

3.2 材料缺陷多，單個芯片電流小

雖然目前SiC器件的研究已經取得了非常矚目的成果，但其性能離SiC材料本身的極限還有較大距離。近幾年，利用物理氣相傳輸法（PVT）生長的SiC晶體和化學氣相沉積法（CVD）生長的SiC薄膜取得了驚人的進步。采用緩沖層、臺階控制外延及位置競爭等技術制備的SiC薄膜晶體質量有了很大的提高，并實現了可控摻雜。但晶體中仍含有大量的微管、位錯和層錯等缺陷，這些缺陷嚴重限制了SiC芯片成品率及大電流需求。

SiC電力電子器件要想應用于牽引領域，單個芯片面積必須要在1.2cm²以上，以保證100A以上的通流能力，降低多芯片并聯產生的寄生參數。因此，SiC材料必須解決上述缺陷問題，SiC器件才有可能在牽引領域批量應用。

3.3 器件封裝材料與技術有待提高

目前SiC功率器件封裝工藝及方法通常借鑒Si IGBT封裝技術，在DBC布局、芯片鍵合、高溫焊料、硅凝膠填充、密封材料等方面還存在一些問題，不能充分發揮SiC材料高溫及高頻應用的優勢。

針對SiC器件封裝特殊要求，三菱、塞米控、富士等公司在封裝材料及結構方面提出了新的思路，如三菱公司銅針布線技術，塞米控公司低溫納米銀燒結技術，富士公司低電感和優化的DBC布局設計。隨著國際廠商對SiC封裝技術的重視，封裝材料的不斷發展及封裝結構優化，封裝將不再是限制SiC器件性能的瓶頸，SiC材料優勢將完全得到展現。

4 結論

相比于目前廣泛應用的Si電力電子器件，SiC器件可工作于更高的開關頻率，實現電容及電感等儲能和濾波部件小型化；芯片功率密度更大，縮小器件及功率模塊尺寸；損耗小，工作結溫高，減小冷卻裝置體積。這些優良特性共同推動牽引變流器向小型化、輕量化、高效率的方向發展。目前，由SiC SBD與SiC MOSFET組成的開關器件已經開始應用于機車牽引領域，展現出了優越的性能。

當前制約SiC電力電子器件在牽引領域應用的主要因素包括：襯底及外延成本高，芯片價格高；材料缺陷多，芯片成品率及單只芯片電流受到限制；封裝技術存在瓶頸，SiC材料性能無法得到完全展現。不過可以看見的是，隨著SiC材料技術的不斷發展及各大廠商對SiC器件的重視，SiC電力電子器件未來幾年在成品率、可靠性、價格及封裝技術方面可獲得較大改善，將廣泛應用于牽引領域，逐步展現出其性能和降低變流系統成本方面的優勢，對牽引變流器的發展和變革產生持續的推動作用。