碳化硅（SiC）MOSFET在電源領(lǐng)域的應用與發(fā)展

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應用最廣泛、最經(jīng)濟的一種。可以稱為金剛砂或耐火砂。 碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。 ? 一、碳化硅場效應管 SiC-MOSFET SiC-MOSFET是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件，在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。 ? 二、碳化硅MOS的結(jié)構(gòu) 碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進行退火激活。另一個關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。 SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性。 ? 三、碳化硅MOS的優(yōu)勢 硅IGBT在一般情況下只能工作在20KHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合從600V到10KV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。 20KHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3KHz的硅IGBT模塊低一半，50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢。 碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr。同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說（特別當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。 ? 四、碳化硅MOS管的應用 碳化硅MOSFET模塊在光伏、風電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現(xiàn)有電動汽車電機設計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機領(lǐng)域研發(fā)的重點。