SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用展望*
曹琳+，鄭松，吳磊，馮科
(中車(chē)永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司，山西 永濟(jì) 044502；
西安永電電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安 710016)
摘要：寬禁帶半導(dǎo)體SiC是最有發(fā)展前途的電力電子材料，滿(mǎn)足牽引變流器輕量化、小型化、高效化的發(fā)展趨勢(shì)。本文闡述了SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了SiC SBD、SiC MOSFET、SiC JFET及SiC IGBT的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，論證了SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用面對(duì)的挑戰(zhàn)。可以看到的是，隨著SiC單晶質(zhì)量及晶片尺寸，相關(guān)制造、封裝工藝的成熟與完善，用不了多少年，牽引領(lǐng)域電力電子裝置和系統(tǒng)的性能就會(huì)因?yàn)镾iC器件的廣泛應(yīng)用而得到顯著的提升。
關(guān)鍵詞：SiC，電力電子器件，牽引
Development and Prospect of SiC Power Devices
in Electric Traction
CAO Lin, ZHENG Song, WU Lei, FENG Ke
(CRRC YongJi Xinshisu Electric Equipment Co., Ltd., YongJi 044502, CHN
Xi’an Yong Dian Electric Co., Ltd.,Xi’an710016, CHN;)
Abstract: The wide band gap semiconductor Silicon Carbide (SiC) is the most promising power electronic materials that in accordance with electric traction converters lightweight, compact and high efficient development trend. This paper describes the current application status of SiC power devices in electric traction field, introduces the SiC SBD, SiC MOSFET, SiC JFET and SiC IGBT advantages and characteristics, demonstrates the challenges of SiC power devices in the electric traction driven system. In the foreseeable future, with the development and mature of SiC single crystal quality, wafer size, related manufacturing and encapsulation technology, it does not take many years, the power electronic traction equipment and system performance will be significantly improved because of SiC devices widely use.
Keywords: SiC, power electronics, traction
1 引言
電牽引技術(shù)的不斷發(fā)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(kāi)關(guān)速度[1]。以硅（Silicon-Si）材料為基礎(chǔ)的電力電子器件因大功率場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)用而日趨成熟。隨著器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝的完善，當(dāng)前器件的性能已經(jīng)接近Si材料的理論極限[2]。目前，以碳化硅（SiC）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，在牽引領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的潛力[3]。
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(yōu)勢(shì)：本征載流子濃度低20個(gè)數(shù)量級(jí)，臨界擊穿電場(chǎng)高10倍，熱導(dǎo)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[4]。
目前，SiC電力電子器件已經(jīng)在600V-1700V中低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，Cree、Rohm、Infineon等公司可批量供應(yīng)最大電流50A的SiC SBD及MOSFET產(chǎn)品，其應(yīng)用已顯著提高系統(tǒng)工作頻率及整機(jī)效率。高壓SiC器件[5]早在2003年已有報(bào)道，然而受晶體質(zhì)量[6]及相關(guān)工藝限制，其產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展中。機(jī)車(chē)牽引、高壓直流輸變電等領(lǐng)域目前正小批量試用高壓SiC器件，系統(tǒng)性能提升明顯。
牽引領(lǐng)域，2007年開(kāi)始，豐田、日產(chǎn)[7]、本田等公司首先將SiC器件應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)（EV）中。同時(shí)，羅姆、三菱、東芝等半導(dǎo)體公司也針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)需求開(kāi)發(fā)SiC產(chǎn)品，以滿(mǎn)足牽引逆變器小型化、輕量化、高效率的發(fā)展趨勢(shì)。機(jī)車(chē)牽引領(lǐng)域，日本三菱電機(jī)于2011年10月推出SiC功率逆變器用于東京地鐵銀座線(xiàn)“01系”的部分車(chē)輛，用以進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行考核。2014年推出1500A/3300V 全SiC模塊[8]用于小田急1000系列列車(chē)。日立公司也于2012年4月發(fā)布了針對(duì)地鐵車(chē)輛用于1.5kV直流接觸網(wǎng)的3.3kV 混合SiC模塊。SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用正由樣機(jī)試驗(yàn)試制階段向批量化生產(chǎn)和工程化應(yīng)用靠近。
我國(guó)高鐵建設(shè)目前已擁有世界領(lǐng)先水平，但牽引用SiC電力電子器件及應(yīng)用尚處于初期階段。2013年開(kāi)始，中國(guó)中車(chē)永濟(jì)電機(jī)[9]及株洲時(shí)代電氣[10]開(kāi)始進(jìn)行SiC器件封裝及應(yīng)用研究，希望通過(guò)應(yīng)用推動(dòng)整個(gè)SiC電力電子產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，追趕國(guó)外先進(jìn)技術(shù)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(dǎo)通電阻，因此SiC器件的研究開(kāi)始集中在肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）、MOSFET等少數(shù)載流子器件上。
2.1 SiC SBD
SiC SBD為單極性器件，沒(méi)有少數(shù)載流子的注入及自由電荷的存儲(chǔ)，具有幾乎理想的反向恢復(fù)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(shì)壘比Si薄[11]，進(jìn)一步提高SiC SBD的反向電壓會(huì)受到隧穿勢(shì)壘引起的反向漏電流限制。為了充分發(fā)揮SiC臨界擊穿電場(chǎng)高的優(yōu)勢(shì)，通常采用JBS[12]、MPS等結(jié)構(gòu)降低肖特基接觸處電場(chǎng)強(qiáng)度，獲得了較好的器件特性。
SiC SBD是發(fā)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(jīng)應(yīng)用于變頻或者逆變裝置中替換Si基快恢復(fù)二極管，顯著提高了工作頻率和整機(jī)效率。然而由于SiC開(kāi)關(guān)器件發(fā)展的相對(duì)滯后，因此目前在牽引、工業(yè)變頻等領(lǐng)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(kāi)關(guān)器件，以降低器件開(kāi)關(guān)損耗。
2.2 SiC MOSFET
SiC是唯一具有熱氧化層的寬禁帶半導(dǎo)體材料，因此可以直接借鑒Si 基MOSFET的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)設(shè)備。同時(shí)，SiC MOSFET與現(xiàn)有Si基MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)電路兼容，因此SiC MOSFET是發(fā)展最快的開(kāi)關(guān)器件。
SiC MOSFET早期發(fā)展存在一些問(wèn)題，如溝道遷移率低和柵氧化層可靠性問(wèn)題。目前，遷移率問(wèn)題通過(guò)埋溝[13]、高溫氣氛氧化等設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)得到基本解決。可靠性方面，350°C[14]下柵氧化層依舊具有良好的可靠性，目前已經(jīng)不是限制SiC MOSFET發(fā)展的瓶頸。
2012年，日本Rohm公司通過(guò)優(yōu)化工藝條件及器件結(jié)構(gòu)，改善了晶體質(zhì)量，首次實(shí)現(xiàn)了SiC SBD與SiC MOSFET一體化封裝，解決了1200V級(jí)別逆變器中使用Si IGBT及FRD（快恢復(fù)二極管）而導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換損耗較大的問(wèn)題。該產(chǎn)品在降低器件工作損耗70%以上的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了100kHz以上更高的工作頻率，推動(dòng)了外圍部件小型化的發(fā)展。預(yù)計(jì)在今后5-10年時(shí)間，SiC MOSFET將替代Si IGBT成為主流電力電子開(kāi)關(guān)器件。
2.3 SiC JFET
由于SiC MOSFET結(jié)構(gòu)存在的不完美特性，使得同樣為單級(jí)性開(kāi)關(guān)器件的SiC JFET（結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管）受到了重視，并與SBD、MOSFET率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。SiC JFET還具有閾值電壓隨溫度穩(wěn)定性好、高溫可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的SiC開(kāi)關(guān)器件。
然而柵極P-N結(jié)工作方式的特點(diǎn)對(duì)器件應(yīng)用也帶來(lái)了很多不利的影響，如常通型、高米勒電容（Miller Capacitor）效應(yīng)、高負(fù)柵關(guān)斷電壓等問(wèn)題。這使得SiC JFET不能直接替代Si MOSFET及IGBT，使用時(shí)需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路作出相應(yīng)的調(diào)整，以保證器件安全可靠的工作。
目前，SiC JFET器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一定程度的產(chǎn)業(yè)化，主要以Infineon、SiCED及Semisouth公司的產(chǎn)品為主。產(chǎn)品電壓等級(jí)在600V、1200V、1700V，單管電流最高達(dá)20A，模塊電流等級(jí)達(dá)到100A以上。2013年，Rockwell 公司采用600V/5ASiC增強(qiáng)型JFET以及SiC SBD并聯(lián)制作了25A三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，與當(dāng)時(shí)先進(jìn)的Si IGBT模塊相比較，同等功率下芯片面積減少40%，同時(shí)損耗及開(kāi)關(guān)過(guò)電壓、過(guò)電流問(wèn)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(wèn)題限制，SiC IGBT的研發(fā)工作起步較晚，1999年才有報(bào)道。經(jīng)過(guò)多年的研究，目前已經(jīng)逐步解決了上述問(wèn)題。2008年報(bào)道的13kV[15] N溝道SiC IGBT通態(tài)比電阻達(dá)到了22mΩ.cm2。
通過(guò)與SiC MOSFET、Si IGBT及晶閘管比較發(fā)現(xiàn)，在阻斷電壓15kV以上領(lǐng)域，SiC IGBT綜合了開(kāi)關(guān)速度快及功耗低的特點(diǎn)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，通過(guò)不斷提升SiC IGBT芯片特性及可靠性，SiC IGBT將成為智能電網(wǎng)中的核心器件。
3 SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用面對(duì)的挑戰(zhàn)
3.1 芯片制造成本過(guò)高
從商業(yè)化角度看，SiC功率器件在電力電子器件市場(chǎng)很大，但SiC能否成功打入牽引領(lǐng)域市場(chǎng)，最終還是取決于它的性?xún)r(jià)比。目前雖已實(shí)現(xiàn)了6英寸4H-SiC襯底制備，但Cree公司從2英寸（1997年）擴(kuò)大到商業(yè)化6英寸（2010年）零微管4H-SiC襯底花費(fèi)了13年時(shí)間。同時(shí)，SiC功率器件工藝費(fèi)用也很高，設(shè)備及技術(shù)掌握在國(guó)外少數(shù)幾家公司。較高的價(jià)格導(dǎo)致其通常應(yīng)用在高溫，輻照等Si器件不能應(yīng)用的領(lǐng)域。較小的市場(chǎng)維持高的成本限制了SiC功率器件的發(fā)展。
目前，同一規(guī)格SiC功率器件的價(jià)格是Si器件的5-6倍，當(dāng)這一數(shù)值降到2-3倍時(shí)，SiC功率器件將會(huì)大范圍應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)變流器中，推動(dòng)牽引系統(tǒng)快速發(fā)展。
3.2 材料缺陷多，單個(gè)芯片電流小
雖然目前SiC器件的研究已經(jīng)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(zhǎng)的SiC晶體和化學(xué)氣相沉積法（CVD）生長(zhǎng)的SiC薄膜取得了驚人的進(jìn)步。采用緩沖層、臺(tái)階控制外延及位置競(jìng)爭(zhēng)等技術(shù)制備的SiC薄膜晶體質(zhì)量有了很大的提高，并實(shí)現(xiàn)了可控?fù)诫s。但晶體中仍含有大量的微管[16]、位錯(cuò)[17]和層錯(cuò)[18]等缺陷，這些缺陷嚴(yán)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(yīng)用于牽引領(lǐng)域，單個(gè)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(lián)產(chǎn)生的寄生參數(shù)。因此，SiC材料必須解決上述缺陷問(wèn)題，SiC器件才有可能在牽引領(lǐng)域批量應(yīng)用。
3.3 器件封裝材料與技術(shù)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(shù)，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(wèn)題，不能充分發(fā)揮SiC材料高溫及高頻應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。
針對(duì)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(jié)構(gòu)方面提出了新的思路，如三菱公司銅針布線(xiàn)技術(shù)，塞米控公司低溫納米銀燒結(jié)技術(shù)，富士公司低電感和優(yōu)化的DBC布局設(shè)計(jì)。隨著國(guó)際廠(chǎng)商對(duì)SiC封裝技術(shù)的重視，封裝材料的不斷發(fā)展及封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，封裝將不再是限制SiC器件性能的瓶頸，SiC材料優(yōu)勢(shì)將完全得到展現(xiàn)。
4 結(jié)論
相比于目前廣泛應(yīng)用的Si電力電子器件，SiC器件可工作于更高的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)電容及電感等儲(chǔ)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(jié)溫高，減小冷卻裝置體積。這些優(yōu)良特性共同推動(dòng)牽引變流器向小型化、輕量化、高效率的方向發(fā)展。目前，由SiC SBD與SiC MOSFET組成的開(kāi)關(guān)器件已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于機(jī)車(chē)牽引領(lǐng)域，展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。
當(dāng)前制約SiC電力電子器件在牽引領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素包括：襯底及外延成本高，芯片價(jià)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(shù)存在瓶頸，SiC材料性能無(wú)法得到完全展現(xiàn)。不過(guò)可以看見(jiàn)的是，隨著SiC材料技術(shù)的不斷發(fā)展及各大廠(chǎng)商對(duì)SiC器件的重視，SiC電力電子器件未來(lái)幾年在成品率、可靠性、價(jià)格及封裝技術(shù)方面可獲得較大改善，將廣泛應(yīng)用于牽引領(lǐng)域，逐步展現(xiàn)出其性能和降低變流系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)牽引變流器的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的推動(dòng)作用。
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作者簡(jiǎn)介：
姓名：曹琳；工作單位：中車(chē)永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司；職務(wù)：無(wú)；專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)：電氣工程師；研究領(lǐng)域：SiC芯片及模塊應(yīng)用研究、Si基IGBT芯片后道工藝、IGBT模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性及失效分析研究;通信地址：陜西省西安市經(jīng)開(kāi)區(qū)鳳城十二路中國(guó)中車(chē)永濟(jì)電機(jī)研發(fā)中心；聯(lián)系電話(huà)：13572966628；電子郵箱：cl_zhifang@hotmail.com；郵編：710016。