SiC電力電子器件在牽引領域應用展望*
曹琳+，鄭松，吳磊，馮科
(中車永濟新時速電機電器有限責任公司，山西 永濟 044502；
西安永電電氣有限責任公司，陜西 西安 710016)
摘要：寬禁帶半導體SiC是最有發(fā)展前途的電力電子材料，滿足牽引變流器輕量化、小型化、高效化的發(fā)展趨勢。本文闡述了SiC電力電子器件在牽引領域的應用現(xiàn)狀，介紹了SiC SBD、SiC MOSFET、SiC JFET及SiC IGBT的優(yōu)勢及特點，論證了SiC電力電子器件在牽引領域應用面對的挑戰(zhàn)。可以看到的是，隨著SiC單晶質量及晶片尺寸，相關制造、封裝工藝的成熟與完善，用不了多少年，牽引領域電力電子裝置和系統(tǒng)的性能就會因為SiC器件的廣泛應用而得到顯著的提升。
關鍵詞：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、更快的開關速度[1]。以硅（Silicon-Si）材料為基礎的電力電子器件因大功率場效應晶體管（功率MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等新型電力電子器件的應用而日趨成熟。隨著器件結構設計及制造工藝的完善，當前器件的性能已經(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體電力電子器件已經(jīng)實現(xiàn)商品化，在牽引領域表現(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：本征載流子濃度低20個數(shù)量級，臨界擊穿電場高10倍，熱導率高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中低壓領域實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，Cree、Rohm、Infineon等公司可批量供應最大電流50A的SiC SBD及MOSFET產(chǎn)品，其應用已顯著提高系統(tǒng)工作頻率及整機效率。高壓SiC器件[5]早在2003年已有報道，然而受晶體質量[6]及相關工藝限制，其產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展中。機車牽引、高壓直流輸變電等領域目前正小批量試用高壓SiC器件，系統(tǒng)性能提升明顯。
牽引領域，2007年開始，豐田、日產(chǎn)[7]、本田等公司首先將SiC器件應用于電動汽車（EV）中。同時，羅姆、三菱、東芝等半導體公司也針對電動汽車需求開發(fā)SiC產(chǎn)品，以滿足牽引逆變器小型化、輕量化、高效率的發(fā)展趨勢。機車牽引領域，日本三菱電機于2011年10月推出SiC功率逆變器用于東京地鐵銀座線“01系”的部分車輛，用以進行車輛運行考核。2014年推出1500A/3300V 全SiC模塊[8]用于小田急1000系列列車。日立公司也于2012年4月發(fā)布了針對地鐵車輛用于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域應用正由樣機試驗試制階段向批量化生產(chǎn)和工程化應用靠近。
我國高鐵建設目前已擁有世界領先水平，但牽引用SiC電力電子器件及應用尚處于初期階段。2013年開始，中國中車永濟電機[9]及株洲時代電氣[10]開始進行SiC器件封裝及應用研究，希望通過應用推動整個SiC電力電子產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，追趕國外先進技術的腳步。
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通電阻，因此SiC器件的研究開始集中在肖特基勢壘二極管（SBD）、MOSFET等少數(shù)載流子器件上。
2.1 SiC SBD
SiC SBD為單極性器件，沒有少數(shù)載流子的注入及自由電荷的存儲，具有幾乎理想的反向恢復特性，適合在高壓、高頻及高溫條件下工作。
由于高壓下SiC肖特基勢壘比Si薄[11]，進一步提高SiC SBD的反向電壓會受到隧穿勢壘引起的反向漏電流限制。為了充分發(fā)揮SiC臨界擊穿電場高的優(yōu)勢，通常采用JBS[12]、MPS等結構降低肖特基接觸處電場強度，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)應用于變頻或者逆變裝置中替換Si基快恢復二極管，顯著提高了工作頻率和整機效率。然而由于SiC開關器件發(fā)展的相對滯后，因此目前在牽引、工業(yè)變頻等領域的普遍做法是將SiC SBD和Si IGBT芯片封裝在一起以形成大功率開關器件，以降低器件開關損耗。
2.2 SiC MOSFET
SiC是唯一具有熱氧化層的寬禁帶半導體材料，因此可以直接借鑒Si 基MOSFET的設計、制造經(jīng)驗和生產(chǎn)設備。同時，SiC MOSFET與現(xiàn)有Si基MOSFET、IGBT驅動電路兼容，因此SiC MOSFET是發(fā)展最快的開關器件。
SiC MOSFET早期發(fā)展存在一些問題，如溝道遷移率低和柵氧化層可靠性問題。目前，遷移率問題通過埋溝[13]、高溫氣氛氧化等設計、工藝技術得到基本解決?？煽啃苑矫妫?50°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公司通過優(yōu)化工藝條件及器件結構，改善了晶體質量，首次實現(xiàn)了SiC SBD與SiC MOSFET一體化封裝，解決了1200V級別逆變器中使用Si IGBT及FRD（快恢復二極管）而導致功率轉換損耗較大的問題。該產(chǎn)品在降低器件工作損耗70%以上的同時還實現(xiàn)了100kHz以上更高的工作頻率，推動了外圍部件小型化的發(fā)展。預計在今后5-10年時間，SiC MOSFET將替代Si IGBT成為主流電力電子開關器件。
2.3 SiC JFET
由于SiC MOSFET結構存在的不完美特性，使得同樣為單級性開關器件的SiC JFET（結型場效應晶體管）受到了重視，并與SBD、MOSFET率先實現(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，是目前發(fā)展較快的SiC開關器件。
然而柵極P-N結工作方式的特點對器件應用也帶來了很多不利的影響，如常通型、高米勒電容（Miller Capacitor）效應、高負柵關斷電壓等問題。這使得SiC JFET不能直接替代Si MOSFET及IGBT，使用時需要對驅動電路作出相應的調整，以保證器件安全可靠的工作。
目前，SiC JFET器件已經(jīng)實現(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)品電壓等級在600V、1200V、1700V，單管電流最高達20A，模塊電流等級達到100A以上。2013年，Rockwell 公司采用600V/5ASiC增強型JFET以及SiC SBD并聯(lián)制作了25A三相電機驅動模塊，與當時先進的Si IGBT模塊相比較，同等功率下芯片面積減少40%，同時損耗及開關過電壓、過電流問題降低明顯。
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題限制，SiC IGBT的研發(fā)工作起步較晚，1999年才有報道。經(jīng)過多年的研究，目前已經(jīng)逐步解決了上述問題。2008年報道的13kV[15] N溝道SiC IGBT通態(tài)比電阻達到了22mΩ.cm2。
通過與SiC MOSFET、Si IGBT及晶閘管比較發(fā)現(xiàn)，在阻斷電壓15kV以上領域，SiC IGBT綜合了開關速度快及功耗低的特點，具有明顯的優(yōu)勢。因此，通過不斷提升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域應用面對的挑戰(zhàn)
3.1 芯片制造成本過高
從商業(yè)化角度看，SiC功率器件在電力電子器件市場很大，但SiC能否成功打入牽引領域市場，最終還是取決于它的性價比。目前雖已實現(xiàn)了6英寸4H-SiC襯底制備，但Cree公司從2英寸（1997年）擴大到商業(yè)化6英寸（2010年）零微管4H-SiC襯底花費了13年時間。同時，SiC功率器件工藝費用也很高，設備及技術掌握在國外少數(shù)幾家公司。較高的價格導致其通常應用在高溫，輻照等Si器件不能應用的領域。較小的市場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功率器件的價格是Si器件的5-6倍，當這一數(shù)值降到2-3倍時，SiC功率器件將會大范圍應用于電動汽車、機車、動車變流器中，推動牽引系統(tǒng)快速發(fā)展。
3.2 材料缺陷多，單個芯片電流小
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）生長的SiC晶體和化學氣相沉積法（CVD）生長的SiC薄膜取得了驚人的進步。采用緩沖層、臺階控制外延及位置競爭等技術制備的SiC薄膜晶體質量有了很大的提高，并實現(xiàn)了可控摻雜。但晶體中仍含有大量的微管[16]、位錯[17]和層錯[18]等缺陷，這些缺陷嚴重限制了SiC芯片成品率及大電流需求。
SiC電力電子器件要想應用于牽引領域，單個芯片面積必須要在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題，SiC器件才有可能在牽引領域批量應用。
3.3 器件封裝材料與技術有待提高
目前SiC功率器件封裝工藝及方法通常借鑒Si IGBT封裝技術，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題，不能充分發(fā)揮SiC材料高溫及高頻應用的優(yōu)勢。
針對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構方面提出了新的思路，如三菱公司銅針布線技術，塞米控公司低溫納米銀燒結技術，富士公司低電感和優(yōu)化的DBC布局設計。隨著國際廠商對SiC封裝技術的重視，封裝材料的不斷發(fā)展及封裝結構優(yōu)化，封裝將不再是限制SiC器件性能的瓶頸，SiC材料優(yōu)勢將完全得到展現(xiàn)。
4 結論
相比于目前廣泛應用的Si電力電子器件，SiC器件可工作于更高的開關頻率，實現(xiàn)電容及電感等儲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，工作結溫高，減小冷卻裝置體積。這些優(yōu)良特性共同推動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組成的開關器件已經(jīng)開始應用于機車牽引領域，展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。
當前制約SiC電力電子器件在牽引領域應用的主要因素包括：襯底及外延成本高，芯片價格高；材料缺陷多，芯片成品率及單只芯片電流受到限制；封裝技術存在瓶頸，SiC材料性能無法得到完全展現(xiàn)。不過可以看見的是，隨著SiC材料技術的不斷發(fā)展及各大廠商對SiC器件的重視，SiC電力電子器件未來幾年在成品率、可靠性、價格及封裝技術方面可獲得較大改善，將廣泛應用于牽引領域，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，對牽引變流器的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的推動作用。
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作者簡介：
姓名：曹琳；工作單位：中車永濟新時速電機電器有限責任公司；職務：無；專業(yè)技術職務：電氣工程師；研究領域：SiC芯片及模塊應用研究、Si基IGBT芯片后道工藝、IGBT模塊結構設計、可靠性及失效分析研究;通信地址：陜西省西安市經(jīng)開區(qū)鳳城十二路中國中車永濟電機研發(fā)中心；聯(lián)系電話：13572966628；電子郵箱：cl_zhifang@hotmail.com；郵編：710016。