【導(dǎo)讀】據(jù)預(yù)測，采用 SiC 的功率模塊將進入諸如可再生能源、UPS 電源、驅(qū)動器和汽車等應(yīng)用。風電和牽引應(yīng)用可能會隨之而來。 到 2021 年，SiC 功率器件市場總額預(yù)計將上升到 10 億美元 [1]。在某些市場，如太陽能，SiC 器件已投入運行，盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規(guī)硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力，即使價格更高也心甘情愿地被接受？
據(jù)預(yù)測，采用 SiC 的功率模塊將進入諸如可再生能源、UPS 電源、驅(qū)動器和汽車等應(yīng)用。風電和牽引應(yīng)用可能會隨之而來。 到 2021 年，SiC 功率器件市場總額預(yù)計將上升到 10 億美元 [1]。在某些市場，如太陽能，SiC 器件已投入運行，盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規(guī)硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力，即使價格更高也心甘情愿地被接受？
首先，作為寬禁帶材料，SiC 提供了功率半導(dǎo)體器件的新設(shè)計方法。傳統(tǒng)功率硅技術(shù)中，IGBT 開關(guān)被用于高于 600V 的電壓，并且硅 PIN- 續(xù)流二極管是最先進的。硅功率器件的設(shè)計與軟開關(guān)特性造成相當大的功率損耗。有了 SiC 的寬禁帶，可設(shè)計阻斷電壓高達 15kV 的高壓 MOSFET，同時動態(tài)損耗非常小。有了 SiC，傳統(tǒng)的軟關(guān)斷硅二極管可由肖特基二極管取代，并帶來非常低的開關(guān)損耗。作為一個額外的優(yōu)勢，SiC 具有比硅高 3 倍的熱傳導(dǎo)率。連同低功率損耗，SiC 是提高功率模塊中功率密度的一種理想材料。目前可用的設(shè)計是 SiC 混合模塊（IGBT 和 SiC 肖特基二極管）和全 SiC 模塊。
SiC 混合模塊
SiC 混合模塊中，傳統(tǒng) IGBT 與 SiC 肖特基二極管一起開關(guān)。雖然 SiC 器件的主要優(yōu)勢是與低動態(tài)損耗相關(guān)，但首先討論 SiC 肖特基二極管的靜態(tài)損耗。通常情況下，SiC 器件的靜態(tài)損耗似乎比傳統(tǒng)的硅器件更高。圖 1.a 顯示了傳統(tǒng)軟開關(guān) 600V 賽米控 CAL HD 續(xù)流二極管的正向壓降 Vf，為低開關(guān)損耗而優(yōu)化的快速硅二極管和 SiC 肖特基二極管，所有的額定電流為 10 A。
圖 1.a 中：25℃和 150℃下不同續(xù)流二極管的正向電流與正向壓降。對比了 10A 的 SiC 肖特基二極管，傳統(tǒng)的軟開關(guān)硅二極管（CAL HD）和快速硅二極管（硅快速）。1.b：同一二極管的正向壓降和電流密度（正向電流除以芯片面積）。
在 10A 的額定電流下，硅續(xù)流二極管展現(xiàn)出最低的正向壓降，SiC 肖特基二極管的 Vf 更高，而快速硅二極管展現(xiàn)出最高的正向壓降。正向電壓與溫度之間的關(guān)聯(lián)差別很大：快速硅二極管具有負的溫度系數(shù)，150°C 下的 Vf 比 25°C 下的 Vf 低。對于 12A 以上的電流，CAL 的溫度系數(shù)為正，SiC 肖特基二極管即使電流為 4A 時，溫度系數(shù)也為正。由于二極管通常并聯(lián)以實現(xiàn)大功率器件，需要具有正溫度系數(shù)以避免并聯(lián)二極管中的電流不平衡和運行溫度不均勻。這里，SiC 肖特基二極管顯示出最佳的性能。但與常規(guī)硅二極管相比，SiC 肖特基二極管的靜態(tài)損耗較高。由于二極管是基于 10A 額定電流進行比較的，考慮不同供應(yīng)商的器件之間有時不同的額定電流定義是很重要的。為了更加深入地了解器件性能，畫出電流密度（正向電流除以芯片面積）與正向壓降之間的關(guān)系是有用的，它考慮到了芯片的面積。圖 1.b 顯示了等效電流密度，傳統(tǒng)硅二極管和 SiC 肖特基二極管具有非常相似的正向壓降，而快速硅二極管的 Vf 仍然是最高的。換句話說，當使用相同的芯片面積時，硅二極管和 SiC 二極管具有可比的靜態(tài)損耗。通常 SiC 芯片尺寸更小，由于額度電流的確考慮到了靜態(tài)和動態(tài)損耗，額定電流，所以帶來較小的總損耗，因此縮小了芯片的尺寸。
看一下 SiC 肖特基二極管的動態(tài)損耗，可以清楚地看到 SiC 器件的主要優(yōu)點，見表 1。
表 1：傳統(tǒng)硅續(xù)流二極管（CAL HD）、SiC 肖特基二極管和快速硅二極管的動態(tài)參數(shù)。所有二極管額定電壓 1200V，額度電流 10A。
于常規(guī)硅二極管相比，SiC 肖特基二極管的反向恢復(fù)電流 IRRM 要低 50%以上，反向恢復(fù)電荷 QRR 降低了 14 倍，關(guān)斷損耗 Eoff 降低了 16 倍。Si- 快速二極管顯示了比常規(guī)硅二極管更好的特性，但它不會達到 SiC 肖特基二極管那樣的優(yōu)異動態(tài)特性。由于 SiC 肖特基二極管動態(tài)損耗低，可以顯著減少逆變器損耗，節(jié)約用于冷卻的開支并且增加逆變器的功率密度。此外，低動態(tài)損耗使 SiC 肖特基二極管非常適合高開關(guān)頻率。
另一方面，快速開關(guān)的續(xù)流二極管可能有個缺點，反向電流非常陡峭的下降可能導(dǎo)致電流截止和振蕩。在使用硅二極管的情況下，電流截止是由軟關(guān)斷特性控制的。圖 2 比較了在 CAL HD 和 SiC 肖特基續(xù)流二極管的關(guān)斷特性。
圖 2：硅二極管和 SiC 續(xù)流二極管關(guān)斷特性。SiC 二極管的關(guān)斷損耗幾乎看不出來。由于 SiC 二極管的關(guān)斷損耗小，反向電流迅速下降，使得反向電流和電壓上的振蕩小。
有了硅基 CAL HD 二極管，能夠觀測到 CAL 硅續(xù)流二極管眾所周知的軟關(guān)斷行為。由于反向電流平滑地減小，沒有看到電壓尖峰和振蕩。另一方面，軟關(guān)斷行為會帶來顯著的關(guān)斷損耗，因為當二極管上的電壓上升時有相當大的反向電流流過。SiC 肖特基二極管基本上沒有顯示出任何的反向恢復(fù)電荷，因此關(guān)斷損耗非常低。由于反向電流的迅速減小，產(chǎn)生小的振蕩，可以在反向電流和壓降中見到紋波。在我們的例子中，SiC 肖特基二極管的快速關(guān)斷行為通過優(yōu)化 DCB 上的芯片布局和模塊的低雜散電感進行處理。因此，電壓振蕩很小，不會導(dǎo)致顯著過電壓尖峰。因此，能夠管理快速開關(guān)二極管的缺點，并通過優(yōu)化的模塊設(shè)計充分利用 SiC 肖特基二極管的優(yōu)點。圖 3 中，通過對比傳統(tǒng)硅模塊和帶有快速硅 IGBT 和 SiC 肖特基二極管的 SiC 混合模塊顯示出 SiC 二極管的優(yōu)點。
圖 3：傳統(tǒng)硅三相橋模塊的輸出電流（1200V，450A 溝道型 IGBT+CAL 續(xù)流二極管）和 SiC 混合三相橋模塊（1200V，300A 快速 IGBT 和 SiC 肖特基二極管）。安裝在水冷散熱器上的 SKiM93 模塊的熱損耗計算。
正如所料，SiC 肖特基二極管的優(yōu)異動態(tài)特性顯著增加了模塊的輸出功率。給定芯片設(shè)置，該設(shè)置被選擇用于較高開關(guān)頻率下實現(xiàn)最佳性能，30kHz 下的可用輸出電流可以增加超過 70%。隨著開關(guān)頻率的進一步升高，混合 SiC 模塊所帶來的好處甚至更大。較低的損耗和由此而產(chǎn)生更大模塊級功率輸出可以以幾種方式被利用。逆變器的重量和體積可顯著減少，這對諸如汽車和航空航天應(yīng)用很重要。利用高開關(guān)頻率，采用較小的 LC 濾波器是可能的，這可以減少逆變器尺寸和成本。最后但并非最不重要的是，更低的損耗在能效方面也是顯著的優(yōu)勢，對諸如太陽能、UPS 和汽車應(yīng)用很重要。
全 SiC 模塊
使用如 SiC MOSFETS 這樣的 SiC 開關(guān)，可進一步降低功率模塊的整體損耗。在表 2 中，對比了 1200V、25A 的三相橋 IGBT 模塊和 20A 全 SiC 組件的靜態(tài)和動態(tài)損耗。
表 2：1200V、25A IGBT 模塊（溝道型 IGBT+CAL 二極管）與 20A 全 SiC 模塊（SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極管）之間的靜態(tài)和動態(tài)損耗對比
全 SiC 模塊的靜態(tài)損耗高 17%，而動態(tài)損耗顯著降低：導(dǎo)通損耗低 3 倍，關(guān)斷損耗低超過 6 倍。從而，一個完整的 SiC 模塊的可用輸出功率大大高于傳統(tǒng)的硅技術(shù)，特別是在較高的開關(guān)頻率下，如圖 4.a 所示。
圖 4.a：1200V、20A 三相橋全 SiC 模塊和傳統(tǒng) 1200V、25A 三相橋 IGBT 模塊的輸出功率 Pout。 4.b：輸出功率除以芯片面積表示所用功率半導(dǎo)體的功率密度。熱損耗計算基于風冷散熱器，40°C 的環(huán)境溫度。
開關(guān)頻率高于 20KHz 時，全 SiC 模塊的輸出功率比 IGBT 模塊高 100%以上。此外，輸出功率對開關(guān)頻率的依賴也小。反過來，全 SiC 功率模塊可用于非常高的開關(guān)頻率，因為與 10kHz 時的輸出功率相比，40kHz 時的輸出功率只低 28%。當開關(guān)頻率低于 5kHz 時，IGBT 模塊顯示出較高的輸出功率。這是以內(nèi)全 SiC 的模塊中所用的 SiC 芯片組是針對非常高的開關(guān)頻率而優(yōu)化的。針對較低開關(guān)頻率的優(yōu)化也是可能的。再次，通過考慮用于硅和 SiC 芯片的芯片面積，來處理這兩個模塊的功率密度是有用的。在圖 4b 中，輸出功率除以芯片面積得到功率密度。全 SiC 模塊的功率密度比 IGBT 模塊要高得多，甚至在開關(guān)頻率低于 5kHz 時。因此，通過使用更大的芯片面積來優(yōu)化用于低開關(guān)頻率的全 SiC 模塊是可能的。 只要 SiC 芯片尺寸合適，SiC 器件可以在廣泛的開關(guān)頻率范圍內(nèi)提供更高的輸出電流和輸出功率。
大功率 SiC 器件
大功率要求功率芯片和模塊大量并聯(lián)。目前，可以獲得額定電流高達 200A 的硅 IGBT 和傳統(tǒng)續(xù)流二極管，SiC MOSFET 和肖特基二極管的最大額定電流迄今為止小于 100A。因此，不得不并聯(lián)大量的 SiC 晶片以實現(xiàn)大額定功率?？紤]到 SiC 器件的快速開關(guān)特性和振蕩趨勢，需要低電感模塊設(shè)計和 DCB 基板上優(yōu)化的芯片布局。在下文中，1200V、900A 全 SiC 模塊與 1300A 的常規(guī)硅模塊相對比。 IGBT 模塊利用 2 塊并聯(lián)的 DCB 基板，每個基板配有并聯(lián)的 9 個 75A 溝道 IGBT，連同 5 個 100A CAL 續(xù)流二極管。為了獲得與 SiC 等效的功率輸出，并且由于可以獲得額定電流較低的 SiC 器件，全 SiC 模塊采用 2 塊 DCB 基板，每個基板配備有 23 個 20A SiC-MOSFET 和 34 個 13.5A SiC 肖特基續(xù)流二極管。全 SiC 模塊中，共有 46 個 SiC MOSFET 和 68 個 SiC 肖特基二極管被并聯(lián)。表 1 示給出了 Si 和全 SiC 模塊基本數(shù)據(jù)的對比。
表 3：1200V，900A 全 SiC 模塊和其 1300A IGBT 等效器件的電氣及熱特性數(shù)據(jù)。
對比熱數(shù)據(jù)，全 SiC 模塊顯示出比傳統(tǒng)硅模塊更低的熱阻。這是由于與 Si 相比，SiC 具有更高的熱傳導(dǎo)率和更好的熱擴散能力：在此布局中，4 個 SiC 二極管芯片在相同的空間上代替 1 個硅二極管。SiC 器件更低的熱阻是特別重要的，因為在這種情況下硅芯片使用了 21 cm2 的總面積，而全 SiC 模塊只用了 10 cm2。與硅模塊的通態(tài)損耗相比，全 SiC 模塊的通態(tài)損耗更高。SiC 肖特基二極管的正向壓降也是這樣。全 SiC 模塊的動態(tài)損耗非常低：SiC MOSFET 的開關(guān)損耗比硅 IGBT 低 4 倍，SiC 肖特基二極管的損耗低 8-9 倍。
較低的動態(tài)損耗和更好的散熱帶來相當高的功率輸出，如圖 5 所示。
圖 5：1200V，900A 全 SiC 模塊和 1300A IGBT 模塊輸出電流的對比。熱損耗計算基于為風冷散熱器，60°C 的環(huán)境溫度。
即使在 4kHz 的低開關(guān)頻率下，全 SiC 模塊的優(yōu)點也是顯而易見的：可用輸出電流可提高 85%。再次，認識到 SiC 并不局限于非常高開關(guān)頻率是很重要的。換句話說，與采用傳統(tǒng)硅 IGBT 技術(shù)相比，逆變器的模塊部分可小近 2 倍，這是一個優(yōu)點，特別是在高功率應(yīng)用中，如風力發(fā)電。多年來，風力渦輪機的功率在增加，隨著標準功率約為 2-4MW，風電已裝機容量達 7.5MW?？捎糜陔娫茨孀兤鞯目臻g仍然是受限的，減少逆變器的尺寸，不僅解決了空間問題，同時也減少了運輸和安裝成本。
總結(jié)
在模塊層面上，SiC 主要有兩個好處：更小的芯片尺寸和更低的動態(tài)損耗。在系統(tǒng)層面上，這些優(yōu)勢可被以多種方式利用。低動態(tài)損耗帶來輸出功率的顯著增加，將提供減輕重量和減小體積的機會。值得一提的是，無需額外的冷卻能力就可實現(xiàn)功率的增加。因為與硅器件相比，SiC 帶來實際的損耗減少，可能在相同的冷卻條件下得到更高的輸出功率。低的功率損耗能提高能效，允許設(shè)計高效率的逆變器，例如用于太陽能和 UPS 應(yīng)用。
此外，低動態(tài)損耗使得 SiC 器件非常適用于 20kHz 以上的較高開關(guān)頻率。利用高開關(guān)頻率，可以減少 LC 濾波器的成本和尺寸。根據(jù)所使用的芯片面積，在 4kHz 的低開關(guān)頻率下也可以展示 SiC 的優(yōu)點。SiC 的其它優(yōu)點涉及到增強的散熱和正溫度系數(shù)，這對并聯(lián)的的 SiC 芯片很重要。所有這一切都使得 SiC 在廣泛的可能應(yīng)用范圍內(nèi)成為非常有吸引力的材料。然而，SiC 功率器件的價格仍然較高，造成混合和全 SiC 模塊的價格比傳統(tǒng)的硅解決方案要高得多。這些較高的成本限制了市場準入，SiC 解決方案主要應(yīng)用于高端應(yīng)用中。成本評估表明，在許多應(yīng)用中，為了實現(xiàn)積極的商業(yè)案例，SiC 模塊的價格必須高 2-3 倍。
在某些應(yīng)用中，較高的價格可能是可以承受的，因為像體積小、重量輕、效率高等好處能勝過較高的成本。由于成本遠超過傳統(tǒng)硅解決方案，用 SiC 的總體擁有成本需要仔細考慮。一些優(yōu)勢并不直接與更高的功率輸出或更高的效率相關(guān)。例如，減小風能逆變器的尺寸和重量，不僅節(jié)省了風力發(fā)電機組的內(nèi)部空間，同時也減少了運輸和安裝工作。
SiC 提供了大量的好處，迫使電力系統(tǒng)的設(shè)計有不同的想法，回顧傳統(tǒng)的設(shè)計，并尋找新的方法來充分利用 SiC 技術(shù)。在模塊層面，需要針對大量芯片并聯(lián)的低電感設(shè)計和優(yōu)化的 DCB 布局，當然還有新的封裝技術(shù)，如賽米控針對高可靠性和高運行溫度的燒結(jié)技術(shù)。賽米控通過深入細致的研究支持 SiC 解決方案，SiC 器件可以采用所有的標準封裝進行組裝。優(yōu)化的解決方案和拓撲在客戶的密切配合下被評估，這確實是有必要。定制的解決方案是一種具有成本競爭力的方式。
不過，價格問題仍然存在，需要針對電力電子市場中的廣泛突破性的 SiC 器件進行解決。前景是樂觀的：根據(jù)市場研究，SiC 肖特基二極管的價格預(yù)計下降約 30%，SiC MOSFET 的價格預(yù)計在未來幾年下降約 40%，這顯著增加了 SiC 的競爭力?？梢灶A(yù)見的是，混合 SiC 和全 SiC 模塊的價格將不但適用于高端應(yīng)用，而且未來 3 年內(nèi)也將用于標準解決方案。事實上，SiC 進入電力電子是一個漫長的過程，尋求廣泛的市場準入尚未完成。但種種跡象都積極表明，未來幾年 SiC 將成為用于電力電子應(yīng)用的一項成熟技術(shù)。
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