中國粉體網訊 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列車全球首發活動在蘇州市軌道交通3號線滸墅關車輛段舉行。
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除了采用走行風冷的永磁直驅電機外，其最大的特點便是采用了全碳化硅功率半導體技術。由于采用完全的SiC半導體技術替代傳統IGBT技術，大大提升了變流器的開關頻率，實現了準正弦輸出電壓來驅動永磁直驅電機方案，使得電機的損耗得到顯著降低，因此可以實現電機的自然冷卻。
聽起來很“高大上”，關于碳化硅半導體技術在列車上的具體應用確實大有學問，今天我們就來了解一下碳化硅功率半導體器件。
電子電力技術發展史
電力電子技術是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標志的，70年代后期，以門極可關斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）、電力場效應管（POWER-MOSFET）為代表的全控型器件全速發展，這些第二代全控非自鎖型器件的應用，使電力電子技術進入了新的發展階段。80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管為代表的復合型器件集驅動體積小，開關速度快，通態壓降小，載流能力大于一身，高頻、高壓、大功率等特點使之成為現代電力電子技術的主導器件，也標志著電力電子技術變頻時代的到來。因此，電力電子技術的發展很大程度上是由電力電子器件的發展推動的。
目前半導體功率器件的主流產品即高頻場控器件IGBT，已經發展到第六代，商業化IGBT己經發展到第五代，高頻場控器件IGBT及其模塊己經涵蓋了600V-6.5KV的電壓，1A-3500A的電流。以德國英飛凌公司提供的產品規格為例，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在內的一些國際知名的半導體器件公司在碳化硅功率器件領域進行研究，并推出了一系列商業化產品。歐美和日本的許多知名院校和科研機構，也在不斷地進行碳化硅半導體器件的理論研究，該領域的論文數量逐年上升。這些研究為各公司推出商業化碳化硅器件奠定了良好的科研基礎，為碳化硅器件的穩步發展做出了巨大的貢獻。
（碳化硅半導體材料及器件的發展過程）
近年來，國內一些高校和研究所，如西安電子科技大學、南京航空航天大學等，對碳化硅器件的基板制作和技術應用進行了深入研究，與一些半導體廠商開展合作，并取得了一定的成果，為國內碳化硅器件的商業化做出了貢獻。此外，國內關于碳化硅半導體器件的論文數量也在逐年上升，在SiC MOSFET驅動策略等方面的研究尤為突出，但是在碳化硅電機驅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，大多數電機驅動器均采用硅材料的功率半導體器件作為開關，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體材料上，如碳化硅、氮化鎵等。與傳統硅器件相比，它具有電子飽和速度高、雪崩臨界擊穿電場高、介電常數低、工作溫度及熱導率高、導通電阻低、開關損耗和導通損耗低等眾多優勢，適用于高電壓等級、高耐溫需求、高開關速度、高功率密度等場合，是電力電子功率半導體領域Si材料的首選“繼承者”。
（不同半導體材料特性對比）
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，當溫度升高時，器件不會因為本征激發急劇増加而失去阻斷作用，因此碳化硅功率半導體器件可以工作在600°Ｃ的高溫環境中，這為減小甚至撤除散熱系統從而提高電力電子裝置功率密度創造了條件。
（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，碳化硅功率半導體器件漂移區可以做得更薄，大大減小了器件尺寸；此外，功率半導體器件通態電阻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體器件的通態損耗要比硅基同等級器件小很多，提高了系統的效率和功率密度。
（3）高熱導率
熱導率是硅的三倍，加快了器件散熱速度，減小了器件對散熱系統的依賴，因此可以提高系統的功率密度。
（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體器件通態電阻Ron，同時大幅提高了器件工作頻率，高頻特性良好。此外，碳化硅還具有相當高的臨界位移能，是硅的2-4倍，這使得碳化硅功率半導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參數對比)
碳化硅功率半導體器件的分類
碳化硅功率半導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�，F階段最常見也最有應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、高速的開關性能、低導通電阻和高穩定性，是目前硅基器件中應用最為廣泛的功率開關器件。然而硅材料中，耐壓高的器件單位面積導通電阻也較大，Si MOSFET常用于200V以下場合，雖然經過特殊處理的CoolMOS耐壓能夠達到900V，但價格比較昂貴，所以在600V以上的較高電壓應用中，主要采用的開關器件是IGBT。由于IGBT向漂移層內注入作為少數載流子的空穴，所以導通電阻比MOSFET小得多，但是另一方面因為少量載流子的堆積，關斷過程中會出現尾電流，產生較大的開關損耗。碳化硅材料漂移層的阻抗比硅器件低，不用通過電導率調制仍可以在較高的開關頻率下實現髙耐壓和低導通損耗。同時MOSFET在應用中不會出現尾電流，因此以SiC MOSFET代替Si MOSFET可以大大降低開關損耗，實現散熱部件小型化，并且Si MOSFET驅動電路與現有的Si MOSFET和Si IGBT驅動電路高度匹配，因此SiC MOSFET是最受矚目的碳化硅功率開關器件。
2、碳化硅二極管
從2001年Infineon公司首先推出商業化SiC SBD開始，到目前為止，多家公司都推出了優秀的SiC SBD產品，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結間摻雜本征半導體）二極管和JBS（結勢壘肖特基）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（結型場效應管）、BJT（雙極結型晶體管）、IGBT等。Infineon、Cree、Rohm和Semisouth等多家公司對此都有研究，推出了部分商業化的器件，但一些相關技術尚不成熟，還處于繼續研發的階段。
現階段，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發展潛力和成本的大幅度下降。因此，基于碳化硅的變流裝置將是城軌車輛牽引系統技術的發展趨勢。
參考來源：
[1]米乾寶等.碳化硅MOSFET在永磁同步電機驅動中的應用研究綜述
[2]石宏康.基于碳化硅功率器件的永磁同步電機驅動系統研究
[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研究
（中國粉體網編輯整理/山川）
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