高压 SiC 功率半导体器件的发展现状与挑战

与硅相比，SiC 作为第三代半导体材料，具有更宽的禁带宽度，更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射的大功率器件。SiC 电力电子器件具有高压高温特性，突破了硅基功率半导体器件电压(＞１kV)和温度(＜150 ℃)限制所导致的系统局限性，临界击穿电场高达 2 MV/cm（4H-SiC），因此具有更高的耐压能力（10 倍于 Si）。随着 SiC 材料技术的进步，各种 SiC 功率器件在低压（600～1 700　V）领域实现了应用，更高耐压的 SiC 功率器件还未实现量产，随着 SiC 功率器件的发展，已经研发出了 19.5 kV 的 SiC 二极管，3.1 kV 和 4.5 kV 的门极可关断晶闸管（GTO），10 kV 的 SiC MOSFET 和 13～15 kV SiC IGBT 器件等。尽管 SiC 功率器件具有显著的优势和广泛的应用前景，但仍许多问题有待解决，包括封装、门极驱动、EMI 问题等。SiC 器件的 dv/dt 值从 Si 的 3 V/ns 增加到 50 V/ns，造成了更严重的冲击电压和电磁干扰 EMI。作为新兴器件，SiC 功率半导体的应用技术还不成熟。

2 SiC 器件与硅器件的性能比较

随着SiC材料与其器件制造技术的不断突破，SiC 器件在高电压额定值、低导通电阻和快速开关速度等方面表现出了良好的性能。SiC 材料内部结构存在多种晶体结构，例如 3C-SiC、2H-SiC、4H-SiC 和 6H-SiC，4H-SiC 由于具有较高的电子迁移率和较低的掺杂电离，因此为功率器件制造的首选材料。表 1 为 4H-SiC 与 Si 的主要特性比较，与 Si 材料器件相比，SiC 器件具有以下特点。

（1）SiC 具有更宽的禁带宽度。传统的 Si 材料禁带宽度窄，本征激发的载流子浓度高，使得 Si 器件会出现较大的漏电流，导致器件的可靠性和稳定性降低。4H-SiC 的禁带宽度是 Si 材料的 3 倍，使得 SiC 器件中本征载流了的浓度极低，具有较低的关断漏电流。SiC 可以降低 50% 功率损耗，自身发热小，适合在高温、大功率条件下工作。

（2）SiC 具有更低导通损耗和开关损耗。SiC材料具有两倍于 Si 的电子饱和速度，使得 SiC 器件具有极低的通态电阻（Si 的 1/100），导通损耗低；SiC 材料具有 3 倍于 Si 的禁带宽度，泄漏电流比 Si 器件减少了几个数量级，从而可以减少功率器件的功率损耗；关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，可大大提高实际应用的开关频率（Si 的 10 倍）。

（3）SiC 散热性更好。由于 SiC 材料的热导率较高（Si 的 3 倍），散热更容易，器件可工作在更高的环境温度下。文献[1]报道，SiC 肖特基二极管在 361 ℃ 的工作温度下正常工作超过 1 hr。

（4）SiC 具有更快的开关速度。影响 SiC 器件快速开关特性的两个因素是击穿电压和饱和漂移速度。在相同的击穿电压下，SiC 通态电阻更小，单极性器件如 MOSFET 的芯片尺寸减小，随之电容变小，实现了快速的开关速度。在关闭瞬变过程中，由于 4H-SiC 的电子饱和漂移速度是 Si 的饱和漂移速度的两倍，因此较高的饱和漂移速度将提高 SiC 器件的开关速度。图 1 所示的实验波形表明，SiC 器件的开关速度比 Si 快得多。

3 SiC 功率器件的研究进展

SiC 功率半导体包括二极管金属氧化物半导体、场效应晶体管（MOSFET）、IGBT、晶闸管（GTO）及结栅场效应晶体管（JFET）等。图 2 为SiC 器件的单元结构以及漂移区的掺杂和厚度。

3.1 碳化硅二极管

SiC 二极管有 3 种类型：肖特基二极管 SBD、PiN 二极管和结势垒肖特基二极管 JBS。SiC SBD 所承受的电压已接近于 4H-SiC 单极性器件的极限，耐压已到达 600 V。它具有极高的开关速度和低开态损耗，但阻断电压较低，反向漏电流较大。该器件更加适合应用在开关频率较高的电路中。Cree 公司提供 600 V/1 A～1 700 V/50 A 范围的 SiC SBD，产品技术相当成熟。在开关电源应用领域中，SiC SBD 由于其优异的反向恢复特性已得到广泛应用。

3.2 碳化硅 MOSFET

碳化硅功率 MOSFET 结构上与硅功率 MOSFET 没有太大区别。2000 年已有用 4H-SiC 实现阻断电压 2 000 V 以上，最高可达 7 000 V 的 MOSFET 的报道，其通态比电阻要比硅 MOSFET 低 250 倍。就应用而言，电力电子器件除了要尽可能降低静态和动态损耗外，还要有尽可能高的承受浪涌电流的能力。由于浪涌电流会引起器件结温的骤然升高，通态比电阻偏高的器件，其浪涌电流承受力注定非常低。由于单极功率器件的通态比电阻随其阻断电压的提高而迅速增大，硅功率 MOSFET 只在电压等级不超过 l00 V 时才具有较好的性价比。尽管硅 IGBT 在这方面有很大改进，但其开关速度比功率 MOSFET 低，不能满足高频应用的需要。理论分析表明，用 6H-SiC 和 4H-SiC 制造功率 MOSFET，其通态电阻可以比同等级的硅功率 MOSFET 分别低 100 倍和 2 000 倍。

3.3 碳化硅 GTO

碳化硅晶闸管器件兼顾开关频率、功率处置能力和高温特性方面最能发挥碳化硅材料特长。与硅晶闸管相比，对 3 000 V 以上阻断电压，其通态电流密度可以高出几个数量级，特别适合于交流开关方面应用。当前对阻断压 4 500 V 以上 GTO 需求量很大，最近对碳化硅电力晶体管研发活动开始向 GTO 集中。2000 年已有阻断电压高达 3 l00 V 的4H-SiC GTO 报道。与传统的 Si GTO 相比，SiC GTO 可以在高温下工作，具有更快的开关响速度和更高的阻断能力。2010 年报道单芯片脉冲电流达到 2 000 A 的 SiC GTO 器件。

3.4 碳化硅 IGBT

在碳化硅 MOSFET 器件中，其通态电阻随着阻断电压的上升而迅速增加。在高压领域，碳化硅IGBT 器件将具有明显的优势。由于受到工艺技术的制约，碳化硅 IGBT 的起步较晚，高压碳化硅 IGBT 面临两个问题：一是与碳化硅 MOSFET 器件相同，沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题；二是 N 型 IGBT 需要 P 型衬底，而 P 型衬底的电阻率比 N 型衬底的电阻率高 50 倍。但经过多年的研发，逐步克服了 P 型衬底的电阻问题，2008 年报道了 13 kV 的 N 沟道碳化硅 IGBT 器件，导通电阻达到 22 mΩ•cm2。图 3 是 15 kV 的 N-IGBT 和 MOSFET 的正向导通能力的比较。结果显示，在结温为 300 K 时，在芯片功耗密度为 200 W/cm2 以下的条件下， MOSFET 可以获得更大的电流密度，而在更高的功耗密度条件下，IGBT 可以获得更大的电流密度。但是在结温为 400 K 时，IGBT 在功耗密度为 50 W/cm2 以上的条件下就能够导通比 MOSFET 更高的电流密度。高温高压碳化硅 IGBT 器件将对大功率应用，特别是电力系统的应用产生重大的影响。在 15 kV 以上的应用领域，碳化硅 IGBT 综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于碳化硅的 MOSFET 以及硅基的 IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势，特别适用于高压电力系统应用领域。

3.5 碳化硅 JFET

SiC JFET 具有高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点，是当前产业化发展较成熟的 SiC 功率器件之一。与 MOSFET、IGBT 等器件相比，单极性 JFET 具备良好的高频特性、高温稳定性及栅极可靠性。Infineon 和 Si CED 等公司推出的 SiC JFET 产品有 1 200 V 和 1 700 V 电压等级，单管电流可达 35 A，模块电流等级可达 100 A 以上。但是，常通型的 JFET 无法兼容通用的门极驱动器，这限制了其进一步推广应用

4 SiC 器件面临的挑战

尽管 SiC 器件与 Si 器件相比表现出更好的性能，但为了有效和可靠地利用它们，但在如栅极驱动设计、封装和 EMI 等方面，SiC 器件的应用技术还不成熟，仍然是一个活跃的研究领域。

4.1 元件封装

（1）电气绝缘。绝缘设计是 SiC 电源模块封装的一大挑战。SiC 器件的额定电压远高于 Si 器件的额定电压，但 SiC 器件的模具较薄。随着电压等级的提高和芯片厚度的减小，从阳极到与阴极焊接的线路周围的电场明显增大。例如最新一代 10 kV SiC MOSFET 的芯片厚度为 100 μm，平均电场为 100 kV/mm，而 1.7 kV IGBT 的芯片厚度为 209 μm，只有 8.1 kV/mm 电场。因此，SiC 器件封装在模具周围的电场强度比 Si 高 10 倍，必须重新设计封装，以保护模具不受环境因素的影响，如潮湿和辐射，并改善电气绝缘。封装材料应具有更高电压绝缘能力和在高电场下保持材料稳定性。另外，SiC 器件的模具尺寸远小于 Si，用 SiC 替换 Si 会使模具总面积大幅度减少，例如 6.5 kV/1 kA SiC 二极管为 5.68 cm2，而相同电压和电流额定值的 Si 二极管为 20.3 cm2。为了减小模块尺寸，提高功率密度，增强输出端的电压绝缘能力至关重要。

（2）寄生效应。杂散电感既存在于芯片外部电路，也存在于模块内部的连接线中。这两部分杂散电感结合在一起，影响了器件的开关性能，两者都应该最小化。通过去耦电容器可以消除外部电路中杂散电感的影响，模块内部的杂散电感对器件性能的影响主要来自三个方面：电压超调、振荡和开关速度限制。

由于 SiC 器件的 di/dt 非常高，杂散电感引起的关断瞬态期间的电压超调量可能明显大于 Si。器件的寄生电感和寄生电容之间的振荡会使电磁干扰 EMI 恶化，并导致额外的开关损耗。

开关速度受到栅极回路和功率回路之间耦合的杂散电感的不利影响。为了减少栅极驱动回路中的电感，一般采用分开电源和信号源的开尔文连接。

在传统的低速高压硅器件中，考虑到低 dv/dt 及其产生的位移电流在开关瞬态期间流过电容，阳极-阴极寄生电容对开关性能的影响很小。其开关速度主要由阳极栅电容（即米勒电容）和栅极驱动参数决定。这种变化在高速 SiC 器件中，而阳极-阴极电容起主要作用，特别是在关断瞬态期间。

4.2 栅极驱动电路设计

栅极驱动是功率半导体器件和控制之间的接口。控制信号通过栅极驱动器传输到驱动信号，以接通和关断功率半导体。栅极驱动设计对于 SiC 器件的应用效率和可靠性十分重要。

（1）基本驱动电路设计。门极驱动器的基本结构如图 4 所示。由于功率转换器中不同功率半导体的栅极驱动电源具有相同的输入，而其输出是不同的，因此需要输入和输出之间的电压隔离。一般来说，隔离电源由初级和次级的隔离变压器和反激变换器组成。隔离变压器的设计要求绝缘电压高、体积小，并且初始侧和次级侧之间的耦合电容是隔离变压器规格的一个关键参数。同样，控制信号需要与闸门驱动信号隔离。光耦具有很高的绝缘电压和 dv/dt 抗扰度，是 SiC 器件信号隔离器的最佳选择。

门驱动集成电路作为与门端的直接接口，是开关性能的关键部件。不同类型设备的栅极驱动集成电路是完全不同的，BJT 是电流驱动的，而 JFET、MOSFET 和 IGBT 是电压驱动的。在电压驱动器件中，由于栅极端和源端之间有一个并联二极管，因此 JFET 的栅极阈值较低，并且栅极驱动的正电压低于 MOSFET 和 IGBT。门驱动集成电路的设计高度依赖于器件的输出特性。

（2）保护设计。与硅器件类似，栅极驱动应集成对电源过电压、欠电压、器件过电压、器件过电流和短路的保护。由于 SiC 器件的短路耐受时间有限，过流和短路保护是最关键的。文献[2]对 SiC MOSFET、JFET 和 BJT 的短路性能进行了介绍和比较。然而，对于 SiC 器件，只有 MOSFET 具有可靠的短路能力，而 JFET、BJT 和 IGBT 的短路性能尚未查询到文献报告。SiC MOSFET 在短路时具有较高的瞬时功率，因此具有较短的短路耐受时间，需要对短路保护进行快速响应。Si-IGBT 的商用栅驱动器响应时间为 12 μs，不能满足 SiC 器件的要求。研究人员针对 SiC MOSFET 提出了改进的去饱和技术和基于集成电流传感器的过电流保护保护方案。

在关断过程中，电压尖峰会导致器件击穿。由于 SiC 器件开关速度快，电压尖峰在 SiC 器件中尤其严重。雪崩坚固性是电力设备的一个重要特征，它取决于当施加过大的过电压时，它能够在没有击穿损坏的情况下消耗雪崩能量。就雪崩能量而言，低压 SiC 器件具有良好的雪崩耐久性。而高压SiC器件的雪崩耐久性仍然未知。目前通过有源门箝位电路等过电压保护是有效的方法，同时需要对功率级的杂散电感进行优化。

（3）抗串扰设计。在 SiC 器件导通过程中，随着 dv/dt 的增大，栅极源电压通过其米勒电容可被充电高于栅极阈值电压，这个电压可能会产生一个射穿电流，从上器件流向下器件。由于射穿电流的存在，下器件的导通电流和导通损耗增大。如果发生串扰，随着 dv/dt 的增加，开关性能变差。同样，在关断瞬态过程中，如果开关量超过半导体器件的最大允许负偏压栅电压，则也会产生杂散栅电压，导致开关性能下降。在高压硅器件中，由于开关速度低，串扰可以忽略不计。对于 SiC 器件，在通断瞬变过程中，串扰问题可能成为开关速度的一个限制。为了充分利用SiC器件的快速性，在门极驱动中需要一个抗串扰电路。

4.3 电磁干扰 EMI 设计

由于 SiC 器件的开关速度快、体积小、寄生电容大，导致 dv/dt 高，采用 SiC 器件的变换器可能会受到严重的电磁干扰。由于硅器件开关频率较低（＜1 kHz），在硅基变换器中仅采用了空间矢量脉宽调制（SVPWM）等脉宽调制方法，以满足电能质量要求。随着开关频率的增加，开关频率达到 20 kHz，在基于 SiC 的变换器中的抗电磁干扰方面，有文献提出了几种通过降低共模电压来降低电磁干扰的 PWM 技术。电磁干扰滤波器是保证变换器满足电磁干扰要求的关键。在电机驱动中，EMI 和 dv/dt 滤波器对于保护电机免受高 dv/dt 引起的电压加倍影响至关重要。在电网应用中，高 dv/dt 会在电网侧引起严重的传导电磁干扰，为了保证功率转换系统满足并网转换器的要求，需要使用 EMI 滤波器。

5 结语

SiC 器件与 Si 器件相比，SiC 器件在高温、高压、高开关频率、高功率密度领域发挥它独特的能力，SiC 器件有效地降低了系统的功率损耗，简化了变换器的拓扑结构，提高了系统效率。然而，由于 SiC 器件高电压额定值和快速的开关速度，SiC 器件在应用中也面临着许多挑战，如封装、栅极驱动设计和 EMI 等，这些技术的改进对于推广 SiC 器件的应用至关重要。随着 SiC 材料和器件制造技术以及应用技术的不断成熟，进入全面的推广应用阶段后，SiC 功率器件将会引发新一轮的电力电子技术革命，对电力系统的发展和进步产生持续而深远的影响。

参考文献

[1] M.Zadehbagheri,N.A.Azil,A.Bagherinasab and S.Ayob,Performance evaluation of custom power devices in power distribution networks to power quality improvement: a review[J].International Journal of Scientific & Engineering Research,2013,4(5):44-49.

[2] D.Sadik,J.Colmenares,G.Tolstoy,D. Peftitsis,M.Bakowski,J.Rabkowski,H.Nee, Short-circuit protection circuits for silicon-carbide power transistors[J]. IEEE Trans.Ind.Electron.,2016,63(4): 1995-2004.