SiC功率元器件具有優(yōu)于Si功率元器件的更高耐壓、更低導通電阻、可更高速工作,且可在更高溫條件下工作。
SiC的優(yōu)點
SiC是由硅(Si)和碳(C)組成的化合物半導體材料。其結(jié)合力非常強,在熱、化學、機械方面都非常穩(wěn)定。利用SiC可以大幅度降低能量損耗,這是SiC很大的優(yōu)點,接下來希望再了解一下低阻值、高速工作、高溫工作等SiC的特征所帶來的優(yōu)勢。
通過與Si的比較來進行介紹?!钡妥柚怠笨梢詥渭兘忉尀闇p少損耗,但阻值相同的話就可以縮小元件(芯片)的面積。應(yīng)對大功率時,有時會使用將多個晶體管和二極管一體化的功率模塊。例如,SiC功率模塊的尺寸可達到僅為Si的1/10左右。
關(guān)于“高速工作”,通過提高開關(guān)頻率,變壓器、線圈、電容器等周邊元件的體積可以更小。實際上有能做到原有1/10左右的例子。
“高溫工作”是指容許在更高溫度下的工作,可以簡化散熱器等冷卻機構(gòu)。
如上所述,可使用SiC來改進效率或應(yīng)對更大功率。而以現(xiàn)狀的電力情況來說,通過使用SiC可實現(xiàn)顯著小型化也是SiC的一大優(yōu)點。不僅直接節(jié)能,與放置場所和運輸?shù)乳g接節(jié)能相關(guān)的小型化也是重要課題之一。
SiC功率元器件的開發(fā)背景
通過將SiC應(yīng)用到功率元器件上,實現(xiàn)以往Si功率元器件無法實現(xiàn)的低損耗功率轉(zhuǎn)換。不難發(fā)現(xiàn)這是SiC使用到功率元器件上的一大理由。其背景是為了促進解決全球節(jié)能課題。
以低功率DC/DC轉(zhuǎn)換器為例,隨著移動技術(shù)的發(fā)展,超過90 %的轉(zhuǎn)換效率是很正常的,然而高電壓、大電流的AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率還存在改善空間。眾所周知,以EU為主的相關(guān)節(jié)能指令強烈要求電氣/電子設(shè)備實現(xiàn)包括消減待機功耗在內(nèi)的節(jié)能目標。
在這種背景下,削減功率轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的能耗是當務(wù)之急。不用說,必須將超過Si極限的物質(zhì)應(yīng)用于功率元器件。
例如,利用SiC功率元器件可以比IGBT的開關(guān)損耗降低85%。如該例所示,毫無疑問,SiC功率元器件將成為能源問題的一大解決方案。
SiC功率元器件的特征
SiC比Si的絕緣擊穿場強高約10倍,可耐600V~數(shù)千V的高壓。此時,與Si元器件相比,可提高雜質(zhì)濃度,且可使膜厚的漂移層變薄。高耐壓功率元器件的電阻成分大多是漂移層的電阻,阻值與漂移層的厚度成比例增加。因為SiC的漂移層可以變薄,所以可制作單位面積的導通電阻非常低的高耐壓元器件。理論上,只要耐壓相同,與Si相比,SiC的單位面積漂移層電阻可低至1/300。
Si 功率元器件為改善高耐壓化產(chǎn)生的導通電阻増大問題,主要使用IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)等少數(shù)載流子元器件(雙極元器件)。但因為開關(guān)損耗大而具有發(fā)熱問題,實現(xiàn)高頻驅(qū)動存在界限。由于SiC能使肖特基勢壘二極管和MOSFET等高速多數(shù)載流子元器件的耐壓更高,因此能夠同時實現(xiàn) “高耐壓”、“低導通電阻”、“高速”。
此時,帶隙是Si的約3倍,能夠在更高溫度下工作?,F(xiàn)在,受封裝耐熱性的制約可保證150℃~175℃的工作溫度,但隨著封裝技術(shù)的發(fā)展將能達到200℃以上。
文章來源:艾邦半導體