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碳化硅功率器件的研究進(jìn)展

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的碳化硅半導(dǎo)體包括的類(lèi)型相對(duì)較多，常見(jiàn)的主要有二極管、金屬氧化物、半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)、晶體管、晶閘管、結(jié)算場(chǎng)、效應(yīng)晶體管等等這些不同類(lèi)型的碳化硅器件，單元結(jié)構(gòu)和漂移區(qū)參雜以及厚度之間存在較為明顯的差異。那么下文主要針對(duì)不同類(lèi)型的碳化硅功率器件的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。

2.1碳化硅二極管

【資料圖】

碳化硅二極管的類(lèi)型可分為三種類(lèi)型，分別為肖特基二極 SBD、PIN 二極管以及結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管 JBS 這幾種類(lèi)型的二極管能夠承受的電壓幾乎是 4H-碳化硅單極性器件的極限，從它的耐壓度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)它的耐壓度幾乎達(dá)到 600V，所以企業(yè)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的制造， 在使用時(shí)它就具有極高的開(kāi)關(guān)速度和低開(kāi)態(tài)損耗。那么從阻斷電壓進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)具有以上性能的碳化硅二極管及阻斷電壓非常低，但是反向漏電流卻可以達(dá)到較高的數(shù)值。那么使用其進(jìn)行產(chǎn)品制造是通過(guò)與其他類(lèi)型的二極管相比，可發(fā)現(xiàn)它更加適合適用于開(kāi)關(guān)頻率比較高的電路中，目前市場(chǎng)上使用其進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作，在技術(shù)方面已達(dá)到較為成熟的狀態(tài)，特別是它具備的優(yōu)異反向恢復(fù)特性，在市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2碳化硅 MOSFET

碳化硅功率 MOSFET 從結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析，它與硅功率 MOSFET 之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。從這種產(chǎn)品的應(yīng)用情況來(lái)看，使用這種類(lèi)型的碳化硅功率期間進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，在電子器件方面必須要滿足動(dòng)態(tài)損耗和降低靜態(tài)損耗的各項(xiàng)需求，除此之外還需要承受一定高度的浪涌電流，因?yàn)槔擞侩娏鲿?huì)使得器件在使用時(shí)溫度馬上升高，所以從通態(tài)的角度來(lái)看，在電阻方面屬于偏高熱期間。而且單極功率器件的通態(tài)明顯比電阻隨其阻斷電壓的提高，呈現(xiàn)出快速增大的趨勢(shì)，那么在這一方面其他類(lèi)型的二極管使用和碳化硅元器件的使用可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，所以其他類(lèi)型的碳化硅原器件在這一方面有很大的改進(jìn)，特別是在開(kāi)關(guān)速度的改變上，甚至比功 率 MOSFET 高。

2.3碳化硅 GTO

通過(guò)對(duì)多種類(lèi)型的碳化硅器件進(jìn)行對(duì)比和分析，可以發(fā)現(xiàn)炭化硅晶閘管器件具有多種類(lèi)型碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)，例如開(kāi)關(guān)頻率快，功率處置能力高，高溫特性強(qiáng)等等。因?yàn)樗钅軐⑻蓟璨牧系奶亻L(zhǎng)充分發(fā)揮出來(lái)，所以在市場(chǎng)上的使用概率相對(duì)較高，特別是與傳統(tǒng)的硅器件相 比，可在超高溫的條件下工作，在快速開(kāi)關(guān)響應(yīng)速度方面和更高的阻斷能力方面，也可以滿足市場(chǎng)發(fā)展的需求。

2.4碳化硅 IGBT

針對(duì)碳化硅器件的實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有部分類(lèi)型的碳化硅器件，其通態(tài)電阻會(huì)隨著阻斷電壓的上升而迅速增加，但是這一特點(diǎn)并不能滿足所有產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，特別是在高壓領(lǐng)域的碳化硅器件，無(wú)法在該領(lǐng)域中正常使用。其中碳化硅 IGBT 器件就可以在高壓領(lǐng)域中 使用，而且具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)該類(lèi)型的碳化硅器件發(fā)展情況進(jìn)行分析，因受到工藝技術(shù)的影響，它的起步時(shí)間相對(duì)較晚，發(fā)展的速度向也比較慢，它在發(fā)展的過(guò)程中存在溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率的問(wèn)題。但經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)并克服相關(guān)的電阻問(wèn)題之后，它在市場(chǎng)上的使用效果越來(lái)越好，甚至目前已經(jīng)能夠?qū)φ麄€(gè)電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生極大的影響，特別是在高溫高壓的環(huán)境下，大部分企業(yè)會(huì)選擇該類(lèi)型的碳化硅器件進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)工作。

2.5碳化硅 JFET

碳化硅 JFET 與其他類(lèi)型的碳化硅期間相比具有低噪音特點(diǎn)，除此之外還具備高輸入阻抗和線性度好的特點(diǎn)，是目前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展較為成熟的一種碳化硅功率器件。特別是在實(shí)際使用的過(guò)程中，遇到高溫環(huán)境時(shí)，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型的碳化硅器件，所以其自身具備的高頻特性和三級(jí)可靠性也獲得更多企業(yè)的青睞。但是之所以沒(méi)有在市場(chǎng)上得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，是因?yàn)樗鼰o(wú)法兼容通用的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器。

3.碳化硅功率器件的應(yīng)用前景

3.1開(kāi)關(guān)電源

最近這幾年的研究使得碳化硅功率器件的應(yīng)用前景逐漸廣泛，隨著低電壓等級(jí)器件成本不斷降低，目前很多類(lèi)型的碳化硅器件，在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域中的應(yīng)用得到深人的推廣，特別是在阻斷電壓低于 500V 的應(yīng) 用場(chǎng)合下，大部分類(lèi)型的碳化硅元器件均可獲得較好的使用效果。就目前為止，碳化硅晶體管在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域中所占的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他類(lèi)型的碳化硅原器件。其主要原因是用其進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的生產(chǎn)在性能，效率、成本以區(qū)體積等多個(gè)維度方面，并不占有較大的優(yōu)勢(shì)。

3.2電動(dòng)汽車(chē)

通過(guò)上文的分析碳化硅功率器件的性能，與硅功率器件相比占有較大的優(yōu)勢(shì)。那么用其進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)品的生產(chǎn)，則能夠很好的降低電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積重量以及成本，再加上很多電動(dòng)汽車(chē)在使用時(shí)各種組織的預(yù)警會(huì)產(chǎn)生高溫，而在這些高溫的背景下，利用碳化硅功率器件進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的組合，可以達(dá)到更好的效果。目前市場(chǎng)上多種類(lèi)型的汽車(chē)企業(yè)都開(kāi)始研究碳化硅功率器件，涌入電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中的內(nèi)容可發(fā)現(xiàn)將其融人后，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的損耗可降低 50%以上。除此之外碳化硅功率器件的使用還可以更好的解決新型電路拓?fù)涞膯?wèn)題。

3.3新能源發(fā)電

新能源發(fā)電是目前很多國(guó)家研空的內(nèi)容，將碳化硅應(yīng)用在新能源的發(fā)電工作中的相關(guān)應(yīng)用并沒(méi)有得到廣泛的普及。但是在歐洲市場(chǎng)中已經(jīng)常見(jiàn)碳化硅二級(jí)管在光伏逆交器中的應(yīng)用．據(jù)了解使用碳化硅器件 光伏變換器的工作效率可提高 95%左右，而逆變器的損耗率則可隆低 1/4左右。而且通過(guò)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，碳化硅器件在市場(chǎng)上的發(fā)展深入，相關(guān)產(chǎn)品的價(jià)格可控制在較低的范圍內(nèi)。

3.4交通軌道

在交通軌道中利用碳化硅器件進(jìn)行交通軌道牽引的工作！是最近這幾年來(lái)交通軌道領(lǐng)域研究的重點(diǎn)向題：目前碳化硅功庫(kù)器件連用于軌道交通牽引領(lǐng)域，已經(jīng)在日本的市場(chǎng)獲得驗(yàn)證。在 2012年，東京地鐵銀座線的新 01 系列車(chē)就己經(jīng)使用碳化硅逆交器進(jìn)行生產(chǎn)，其使用后可以更好地降低那邊汽車(chē)電能損耗，使得整個(gè)列車(chē)的電能再生性能得到大幅度的提升。據(jù)了解使用后的電力再生率由原來(lái)的 22.7 %低到了 50 %以上，由此可認(rèn)為碳化硅逆交器的使用不僅可以更好的降低耗電量，還可以獲得更明顯的節(jié)能效果。

3.5電力系統(tǒng)

目前，智能電網(wǎng)工程的完善程度越來(lái)越南，在電力電子技術(shù)應(yīng)用發(fā)展速度不斷加快的背景下，碳化硅功率器件在柔性交流輸電，電力電子交換器等多個(gè)場(chǎng)景當(dāng)中都具有較大的應(yīng)用潛能，它可以使電效提高40%以上也以電力損耗降低在 60 %以內(nèi)。

關(guān)鍵詞： 進(jìn)行分析 電動(dòng)汽車(chē) 開(kāi)關(guān)電源