深圳市可易亚半导体科技有限公司

国家高新企业

cn en

新闻中心

碳化硅二极管-详解碳化硅二极管特点及应用优势的发展前途-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-03-02 

分享到:

碳化硅二极管的优势

碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点,是目前发展较快的碳化硅器件之一,并且率先实现了商业化。与MOSFET器件相比,JFET器件不存在栅氧层缺陷造成的可靠性问题和载流子迁移率过低的限制,同时单极性工作特性使其保持了良好的高频工作能力。另外,JFET器件具有更佳的高温工作稳定性和可靠性。碳化硅JFET器件的门极的结型结构使得通常JFET的阈值电压大多为负,即常通型器件,这对于电力电子的应用极为不利,无法与目前通用的驱动电路兼容。美国Semisouth公司和Rutgers大学通过引入沟槽注入式或者台面沟槽结构(TIVJFET)的器件工艺,开发出常断工作状态的增强型器件。但是增强型器件往往是在牺牲一定的正向导通电阻特性的情况下形成的,因此常通型(耗尽型)JFET更容易实现更高功率密度和电流能力,而耗尽型JFET器件可以通过级联的方法实现常断型工作状态。级联的方法是通过串联一个低压的Si基MOSFET来实现。级联后的JFET器件的驱动电路与通用的硅基器件驱动电路自然兼容。级联的结构非常适用于在高压高功率场合替代原有的硅IGBT器件,并且直接回避了驱动电路的兼容问题。


目前,碳化硅JFET器件以及实现一定程度的产业化,主要由Infineon和SiCED公司推出的产品为主。产品电压等级在1200V、1700V,单管电流等级最高可以达20A,模块的电流等级可以达到100A以上。2011年,田纳西大学报到了50kW的碳化硅模块,该模块采用1200V/25A的SiC  JFET并联,反并联二极管为SiCSBD。2011年,GlobalPowerElectronics研制了使用SiCJFET制作的高温条件下SiC三相逆变器的研究,该模块峰值功率为50kW(该模块在中等负载等级下的效率为98.5%@10kHz、10kW,比起Si模块效率更高。2013年Rockwell  公司采用600V /5A  MOS增强型JFET以及碳化硅二极管并联制作了电流等级为25A的三相电极驱动模块,并与现今较为先进的IGBT、pin二极管模块作比较:在同等功率等级下(25A/600V),面积减少到60%,该模块旨在减小通态损耗以及开关损耗以及功率回路当中的过压过流。


碳化硅(SiC)是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料,世界各国对SiC的研究非常重视,纷纷投入大量的人力物力积极发展,美国、欧洲、日本等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划,而且一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。


与普通硅相比,采用碳化硅的元器件有如下特性:



碳化硅二极管的优势

高压特性

碳化硅器件是同等硅器件耐压的10倍

碳化硅肖特基管耐压可达2400V。

碳化硅场效应管耐压可达数万伏,且通态电阻并不很大。

碳化硅二极管的优势

高频特性


碳化硅二极管的优势

高温特性


在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。然而,相对于以往的Si材质器件,SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求,将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。


目前,低功耗的碳化硅器件已经从实验室进入了实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片的价格还较高,其缺陷也多。通过不断的研究开发,预计到2010年前后,碳化硅器件将主宰功率器件的市场。但实际上并非如此。


最受关注的碳化硅MOS

SiC器件分类

碳化硅二极管的优势

SiC-MOSFET


SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。

在Si材料已经接近理论性能极限的今天,SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性,一直被视为“理想器件”而备受期待。然而,相对于以往的Si材质器件,SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求,将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。



碳化硅MOS的优势

硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制,高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围,同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。


20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半, 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。


碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。如图所示,同一额定电流900V的器件,碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说(特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候),这个指标非常关键,它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音,便于提高开关工作频率。



碳化硅MOS的结构

碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式,在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在,需要非常特殊的栅介质生长方法。


其沟槽星结构的优势如下:平面vs沟槽

碳化硅二极管的优势


SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。


碳化硅二极管的优势

联系方式:邹先生

联系电话:0755-83888366-8022

手机:18123972950

QQ:2880195519

联系地址:深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1


关注KIA半导体工程专辑请搜微信号:“KIA半导体”或点击本文下方图片扫一扫进入官方微信“关注”。

关注「KIA半导体」,做优秀工程师!


长按二维码识别关注

阅读原文可一键关注+技术总汇