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碳化硅MOS分类及应用介绍

2019-03-29 admin 阅读 3765

一、SiC器件分类
SiC-MOSFET

  SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。成果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。
  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。


二、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:
SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。

三、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。


四、碳化硅MOS管的应用
  碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势,可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制,这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车(HEV)、纯电动汽车(EV)内功率控制单元(PCU),使用碳化硅MOSFET模块,体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统,使用SiC MOSFET模块,功率驱动模块集成到了电机内,实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。