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SiC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)介紹
高效SiC技術(shù)的介紹和分析
摘要：隨著電力電子變換系統(tǒng)對(duì)于效率和體積提出更高的要求，SiC（碳化硅）將會(huì)是越來(lái)越合適的半導(dǎo)體器件。尤其針對(duì)光伏逆變器和UPS應(yīng)用，SiC器件是實(shí)現(xiàn)其高功率密度的一種非常有效的手段。本文主要介紹SiC技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及目前應(yīng)用層面的一些瓶頸。
1.引言
由于SiC相對(duì)于Si的一些獨(dú)特性，對(duì)于SiC技術(shù)的研究，可以追溯到上世界70年代。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，SiC主要在以下3個(gè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì):
擊穿電壓強(qiáng)度高（10倍于Si）
更寬的能帶隙（3倍于Si）
熱導(dǎo)率高（3倍于Si）
這些特性使得SiC器件更適合應(yīng)用在高功率密度、高開(kāi)關(guān)頻率的場(chǎng)合。當(dāng)然，這些特性也使得大規(guī)模生產(chǎn)面臨一些障礙，直到2000年初單晶SiC晶片出現(xiàn)才開(kāi)始逐步量產(chǎn)。目前標(biāo)準(zhǔn)的是4英寸晶片，但是接下來(lái)6英寸晶片也要誕生，這會(huì)導(dǎo)致成本有顯著的下降。而相比之下，當(dāng)今12英寸的Si晶片已經(jīng)很普遍，如果預(yù)測(cè)沒(méi)有問(wèn)題的話(huà)，接下來(lái)4到5年的時(shí)間18英寸的Si晶片也會(huì)出現(xiàn)。
Vincotech公司十幾年前就已經(jīng)采用SiC二極管來(lái)開(kāi)發(fā)功率模塊。SiC二極管由于其卓越的反向恢復(fù)特性，可以有效的減小它本身的開(kāi)關(guān)損耗和IGBT的開(kāi)關(guān)損耗。SiC肖特基二極管雖然已經(jīng)應(yīng)用了很多年，但是還需要進(jìn)一步改善價(jià)格來(lái)獲得更廣闊的市場(chǎng)。
最近幾年的主要研究和應(yīng)用是基于SiC的有源開(kāi)關(guān)器件，比如SiC MOSFET和SiC JFET. 從目前電壓等級(jí)4Kv以下的應(yīng)用來(lái)看，SiC MOSET有打敗SiC JFET的勢(shì)頭。SiC MOSFET有著卓越的開(kāi)關(guān)損耗和超小的導(dǎo)通損耗。SiC MOSFET大批量商業(yè)化的最大障礙目前還是由于其居高不下的價(jià)格。然而我們還是要綜合評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)成本，因?yàn)镾iC MOSFET還是帶來(lái)系統(tǒng)整個(gè)體積和其他成本的下降。文本會(huì)介紹一些SiC和Si在效率、損耗方面的對(duì)比來(lái)證明SiC在高頻應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。
采用boost模型，對(duì)比分析SiC和Si器件的損耗
我們來(lái)看一下boost電路。像光伏逆變器的前級(jí)升壓就會(huì)用到這類(lèi)電路。下圖1是典型的boost電路拓?fù)洹?/p>
圖1： boost電路拓?fù)?/p>
我們以光伏應(yīng)用中最典型的工況為例，輸入350V,輸出700V。輸入電流和開(kāi)關(guān)頻率暫時(shí)不定。以下的仿真對(duì)比分析會(huì)采用Vincotech FlowISE仿真工具，這樣可以更快的對(duì)不同電流，不同頻率的工況做出對(duì)比分析。這些對(duì)比分析會(huì)采用以下幾款型號(hào)來(lái)代表不同的芯片組合：
-IGBT + Si 二極管
o flowBOOST 0 (型號(hào)：V23990-P629-F72-PM) 1200V/40A 超快IGBT+30A/1200V STEALTHTH 二極管
-IGBT + SiC二極管
oflowBOOST 0 ( 型號(hào)：V23990-P629-F62-PM) 1200V/40A 超IGBT+3*1200V/5A SiC二極管 -SiC MOSFET+ SiC二極管
o flowBOOST 0 SiC (型號(hào)：10-PZ12B2A045MR-M330L18Y) 45 mΩ/1200 V SiC MOSFET + 4x10 A/1200 V SiC 二極管
接下來(lái)我們來(lái)看一下它們的效率對(duì)比。首先把Si二極管改成SiC二極管。圖2是兩者不同功率時(shí)效率的對(duì)比曲線(xiàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率大于4Khz時(shí)，SiC二極管對(duì)效率的改善就顯現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率16Khz，電流5A時(shí)，損耗下降50%，由1.6%下降到0.8%。如果進(jìn)一步把IGBT也改成SiC MOSFET的話(huà)，損耗進(jìn)一步下降37%到0.5%。如圖3. 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)一步提高，大于32Khz時(shí)，SiC MOSFET的效果將會(huì)更加明顯。保持輸入電流不變，進(jìn)一步提升開(kāi)關(guān)頻率由16khz到64Khz，損耗相對(duì)下降35%。從這里可以看出，SiC MOSFET非常適合高頻化的應(yīng)用，甚至是在大電流輸入的時(shí)候，只要能保證有較好的散熱系統(tǒng)。以上的這些仿真是基于散熱器溫度80度。Si器件由于其自身的限制，在高頻、高效的應(yīng)用中會(huì)有很多局限，而SiC不同，正是其自身的屬性，剛好可以滿(mǎn)足更高效率、更高開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用。
圖2：IGBT+ Si 或者SiC二極管，4到16Khz時(shí)不同電流的效率對(duì)比曲線(xiàn)
圖3：IGBT+ SiC二極管和SiC MOSFET+ SiC二極管，16到64Khz，不同電流的效率對(duì)比曲線(xiàn) 下面的幾幅圖從輸出電流能力的角度來(lái)說(shuō)明SiC器件相對(duì)Si器件的優(yōu)勢(shì)。例如，假設(shè)50W總損耗，開(kāi)關(guān)頻率16Khz，如圖4所示，IGBT+SiC二極管的組合，輸出電流能力比IGBT+Si二極管的組合大85%。 保持SiC二極管不變，對(duì)比IGBT和SiC MOSFET的性能。從圖5可以看出，SiC MOSFET+SiC二極管的組合輸出電流能力比IGBT+SiC二極管要大50%。輸出能力的提升，主要的根源在于不同的芯片配置，可以有效的減小器件的損耗。
圖4：IGBT+Si二極管或者SiC二極管，4到16Khz時(shí)輸出電流能力和損耗的關(guān)系曲線(xiàn)
圖5：IGBT+SiC二極管或者SiC MOSFET+SiC二極管，16到64Khz時(shí)輸出電流能力和損耗的關(guān)系
曲線(xiàn)
另外一個(gè)有趣的對(duì)比是基于損耗和開(kāi)關(guān)頻率。如圖6， IGBT+Si二極管的損耗，隨著頻率的改變損耗變化幅度非常大，而IGBT+SiC二極管的損耗，隨著頻率的變化改變不是很大。尤其是在16K到48K，通過(guò)芯片電流為5A時(shí)，其總損耗幾乎是線(xiàn)性的，增加幅度較小。那么如果把IGBT換成SiC MOSFET會(huì)是什么情況呢？
如圖7，當(dāng)改用SiC MOSFET，線(xiàn)性的頻率范圍幾乎擴(kuò)大了一倍，從16到100Khz范圍內(nèi)，損耗都是線(xiàn)性的，變化很小。這就是為什么SiC MOSFET+SiC 二極管的組合可以工作在高頻的原因。而我們致力于高頻化的重要原因就是為了減小整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本。經(jīng)過(guò)最后的估算，純SiC器件方案（SiC
MOSFET+SiC二極管）比Si器件方案（IGBT+Si二極管）損耗下降80%，非常有助于幫助工程師實(shí)現(xiàn)高效、高功率密度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
圖6：IGBT+Si二極管或者SiC二極管，不同電流條件下，開(kāi)關(guān)頻率和損耗的關(guān)系
圖7：IGBT+SiC二極管和SiC MOSFET+SiC二極管，不同電流條件下，開(kāi)關(guān)頻率和損耗的關(guān)系 SiC器件面臨的挑戰(zhàn)
在如今，成本是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)背后的主要考量因素之一。目前SiC器件高昂的成本仍是限制其贏(yíng)得很多市場(chǎng)份額的最主要原因。但是隨著用量的增加和新一代SiC技術(shù)的應(yīng)用，這個(gè)價(jià)格障礙正逐漸被削弱。例如，600V SiC二極管的價(jià)格從2011年到現(xiàn)在，已經(jīng)下降了大約35%到45%。人們預(yù)計(jì)在接下來(lái)幾年里還會(huì)再下降大約10%。1200V 80mOHM的SiC MOSFET價(jià)格，預(yù)計(jì)在未來(lái)的三到四年里下降50%。這樣的價(jià)格水準(zhǔn)，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)更為廣闊的應(yīng)用空間。
另外一個(gè)是技術(shù)層面的挑戰(zhàn)。組裝和綁定線(xiàn)工藝必須適應(yīng)SiC器件高功率密度，高溫的性能。SiC器件在保持散熱器溫度不變的條件下，可以工作在非常高的電流密度和溫度條件下。這會(huì)使得綁定線(xiàn)和焊接的結(jié)合點(diǎn)獲得更高的熱應(yīng)力，傳統(tǒng)的綁定線(xiàn)和工藝會(huì)影響功率模塊的壽命。因此組裝和綁定工藝需要改進(jìn)，比如采用Sintering（銀燒結(jié)工藝），優(yōu)化綁定線(xiàn)技術(shù)，采用銅編織帶或者大面積的銀箔接觸來(lái)克服高溫的問(wèn)題。另外，SiC芯片的缺陷密度也遠(yuǎn)大于Si，這也是為什么常用的SiC芯片目前的電流能力都是5到10A。當(dāng)然當(dāng)今最大的電流能力也能做到50A，但是成本會(huì)很貴。
2.總結(jié)
本文主要介紹了功率模塊中SiC二極管，SiC MOSFET對(duì)于損耗下降，效率提升的作用。這對(duì)一些要求高效且高功率密度的設(shè)計(jì)，比如光伏逆變器，就非常有意義。研發(fā)人員采用此類(lèi)的功率模塊，可以有效的提升開(kāi)關(guān)頻率，降低光伏逆變器的體積，同時(shí)提升效率。（文|吳鼎 Vincotech中國(guó)區(qū)FAE）
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