碳化硅半导体

　　在性能上的增长，纯硅功率晶体管有着令人羡慕的成绩，然而，对于高要求的功率开关和控制的应用上，它似乎已经到达了它的极限。
　　碳化硅（SiC），作为一种新型半导体材料，具有潜在的优点：更小的体积、更有效率、完全去除开关损耗、低漏极电流、比标准半导体（纯硅半导体）更高的开关频率以及在标准的125℃结温以上工作的能力。小型化和高工作耐温使得这些器件的使用更加自如，甚至可以将这些器件直接置于电机的外壳内。
　　任何一种新技术都会经历由发展到成熟的过程，SiC也不例外。标准功率开关，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT），有很大的产品基础和优化的生产技术。而SiC却需要投入大量经费和研发资金来解决材料问题和完善半导体制造技术。然而这种功率开关器件，能够在正向导通大电流和反向截止千伏电压之间快速执行开关动作，这样的性能是值得一试的。
　　SiC最初的成功应用和主要应用发光二极管，用于汽车头灯和仪表盘其他照明场合。其他的市场包括开关电源和肖特基势垒二极管。将来会应用到包括混合动力车辆、功率转换器（用于减小有源前置滤波器的体积）和交流/直流电机控制上。这些更高要求的应用还没有商业化，因为它们需要高质量的材料和大规模的生产力来降低成本。在全世界范围内，大量的研究经费投入到了公司、实验室和政府设施，以使SiC技术更加可行。一些专家预言，SiC技术的商业化、工业化甚至军工应用将在2到5年或者更远的时间内变成现实。

图1：APEI Inc.的这个功能齐全的基于SiC的3kW三相换流器原型，可以工作于
250℃以上的温度。

　　电机控制生产商对于SiC的发展特别有兴趣，有些甚至与研究人员和半导体生产商进行合作来促进SiC的发展。但是他们大多数都对这种协作关系闭口不谈。
　　SiC技术的促进者
　　Rockwell Automation公司标准驱动部门的顾问工程师Gary Skibinski博士说：“Rockwell Automation看到了这个新技术的潜在优点并认为自己是SiC技术的促进者。Rockwell公司也确定了SiC技术会如何融入其将来的商业计划。对于一个领先的公司，理解并接纳新兴技术是至关重要的。”
　　发展正在逐步进行。Skibinski举例道，在驱动模块的每个标准IGBT上附加一个SiC功率二极管，作用如同变极飞轮二极管，作为提高生产力逻辑上的第一步；这种改变其次将会应用于功率开关上。他说：“纯SiC驱动仍处于研发和原型论证阶段。”
　　相对于纯SiC模型（Si IGBT+反平行二极管开关）的进展，在近期对于Si-SiC混合型功率模型（Si IGBT+商业SiC二极管）的研究中，Rockwell公司在减少能量损耗和增加载波频率上获得突破性进展。此模型总的功率损耗为Eon+Err+Eoff（见图2）。对于Si或者SiC二极管，不管Rgate值如何变化，Eoff的值都不会变化，但是当使用SiC二极管时，其他的两个功率损耗分量会因Rgate值的变化而发生变化。对于任何Rgate值，二极管反向恢复损耗Err实际上已经几乎减小到0（94%）。当Rgate=25Ω时GBT的Eon减小了37%，当Rgate=8绞保琁GBT的Eon减小了85%。

图2：Rockwell Automation 近期的调查显示，相对于全硅模块，
Si-SiC混合模块可以潜在地减小功率损耗Eon和Err。为了便于比
较，全硅模块的IGBT功率损耗En被规格化为每一个单位3.3mJ。

　　研究的结果证明了更高开关频率的可能性，在以前，更高的开关频率一直受限于纯硅二极管的反向恢复损耗。Err限制了在减小开启损耗上的进一步发展。Skibinski解释道：“硅模块的供应商推荐使用一个门电阻Rgate (例如25 Ω，来平衡IGBT的开启能量损耗(Eon) 关断能量损耗(Eoff)。”然而对于SiC二极管，门电阻Rgate就可以省去不用了。
　　他说：“SiC二极管能够降低总功率损耗(Eon+Err+Eoff)，这一特性仔驱动上的应用有着潜在优点。”首先，在使用同样的制冷系统的条件下，它可以达到4倍的开关频率，可以使前置电磁滤波器具有更好的性能、更小的体积和更低的价格。或者，你也可以保留现在的开关频率和制冷系统，这样就可以得到更高的效率和稳定性、更低的损耗、更高的额定输出。降低的总功率损耗可以潜在地降低制冷花费。
　　Yaskawa Electric是另一个采用SiC技术的驱动生产商，他把SiC技术应用于雷达屏幕上。Yaskawa Electric总结SiC的基本的优点有：高工作温度、高开关速度、在导通和开关模式下都具有更低的损耗，这些是驱动系统更加有效率。
　　日本小仓Yaskawa Electric公司研发实

验室的IEEE的特殊会员Tsuneo J. Kume博士在Control Engineering中说道：“这种低损耗的特性，加上高工作结温，是碳化硅器件和制冷系统具有更小的体积，进而导致具有更高功率密度的驱动系统的成为可能。而且，高频开关性能极大地改进了控制系统的响应和带宽。”Yaskawa公司正在与先进的半导体生产商密切合作，例如Mitsubishi Semiconductors公司，只要技术成熟，将会推出具有先进技术的SiC器件。据Kume说，这种技术正在为实际应用和质量作进一步实验，使用这种新技术的驱动产品，暂时还没有开始开发。
　　敏捷的，创新的
　　一些小型的，具有创新精神的公司往往会对先进技术产生促进作用。在SiC领域内，一个这样的例子是Arkansas Power Electronics International Inc。APEI专攻对于使用SiC器件作为核心技术的高性能功率电子系统的开发。APEI公司的总裁Alexander B. Lostetter博士说：“APEI公司特别关注那些用于极端环境（温度高于500℃或更高）和/或具有很高功率密度的应用场合的技术。”

图3：TranSiC的双极型碳化硅功率晶体管BitSiC1206，
是一个已经和用户见面的6-A原型。30-A原型的期间计划于2007年底面世。

　　APEI公司已经开发、制造并测试了基于SiC技术的直流和交流电机驱动、单相合三相换流器（额定功率为3kW和5kW）、直流到直流转换器。Lostetter介绍公司其他方面的研究进展包括：高温封装技术，此技术使单一器件可以工作于500或500以上的环境。还有基于SiC技术的模拟/数字低压电路控制，借此可以将电路集成到工作于300℃以上的功率控制系统中。同样在开发中的还有可以工作于500℃温度下的基于离散SiC结型场效应晶体管JFET（junction field-effect transistor）的运算放大器。Lostetter说：“高结温减小了电子产品的热处理系统的体积，并使其可以工作与高功率密度下。”
　　SiC专家Swedish于2005年建立了另外一家活跃于SiC功率晶体管开发的小公司——TranSiC AB，它是从斯德哥尔摩的Royal Institute of Technology (KTH)公司分离出来的。最近TranSiC AB成功地完成了他的具有标准TO247封装的双极型晶体管的原型论证。第一个模型BitSiC1206是一个1200V、6A的器件。
　　TranSiC公司的CEO BoHammarlund，提到芯片的封装很成功，打开和关断的开关性能相比于同类产品也很优秀。公司从各种各样的货源购买SiC晶片和外部材料，但是关键的芯片处理全部完成与KTH的实验室中。
　　Hammarlund解释道，BitSiC的工业封装是由一个经验丰富的外包公司完成的，但是当客户是飞行员时，TranSiC公司可以提供短周期的快速封装，因为在这种应用场合下，封装的价格和开发速度是有关的。
　　TranSiC希望两年之内能够使BitSiC产品成熟起来并使其具有成本效益。时下，每片这种芯片是十分昂贵的。Hammarlund解释道：“我们会采用每一项成本降低措施，我们希望在之后的2年内，每六个月成本会降低30%。”
　　下一个目标是在2006年底使BitSiC具有广大的客户群，并在TranSiC的网站上提供给书说明书。Hammarlund告诉Control Engineering“我们的目标是在2007年底完成30A的器件原型，加上可以承受225℃结温的封装原型。”更高电流的期间公司的长期开发路线。

　　不同的观点
　　并不是每一个人都同意碳化硅功率控制的前景。ABB公司是高功率半导体的专家，但是在2002年，瑞典的联合开发中心，他终止了SiC开发项目。公司半导体研发部对于此举措的一个解释是由Basel平面断层导致的双极导通衰减效应。这反映了一种单纯基于高电压/高功率器件和应用的前景。
　　ABB Switzerland Semiconductors研发部的总工程师Munaf Rahimo博士说：“碳化硅短期上适合低电压单极型二极管，它也有潜力用于离散高频场合中的低功率双极晶体管和结型场效应晶体管。然而，由于SiC和Si材料间更高的PN结栅高，双极性二极管仅对于额定电压高于4.5kV的器件的传导损耗方面能起到些左用。另一方面，SiC双极型晶体管并没有被这个缺点所阻碍，从长远上看，它在高压应用领域还是比其他种类的开关值得关注的。”
　　对于SiC技术的快速开关能力，

ABB Semiconductors确认说，这种高频工作能力仅在低杂散电感的环境中才适用，例如低功率/低压系统中。Rahimo说：“在高功率系统中，杂散电感很大，要求半导体缓慢地执行开关动作。对于SiC器件，这就意味着让它慢慢地开关，以适应缓冲器的要求，这会重新引入损耗，而这些损耗原本就是我们试图采用昂贵的SiC器件来消除的。”
　　另外，Rahimo说，现在底层材料的价格是普通材料的100倍（对于3英寸的SiC晶片），将来或许会降至10倍。虽然SiC晶片的质量有所提升，器件生产商可以适用更小的模具，（5mm2片）同时保证产量，但是更大尺寸的模具（例如25mm2片的50A二极管）的产量就很低了。相对于晶片直径6英寸和12英寸的单片集成电路二极管器件，4英寸的SiC晶片，质量仍旧很差。他补充道：“Si晶片的生产次品率很低，领先SiC功率器件5到10年。”对于高功率SiC器件的时间线可能更长。
　　其他的开发人员也意识到了SiC的缺点，但是仍在继续开发。

　　期望的突破
　　对于APEI Inc.的应用，用来刺激SiC技术的突破落在器件和封装上

。Lostetter说：“在器件层面上，晶片产量是主要关心的，低产量意味着这种器件商品化的步伐会很慢。”APEI据称和许多国际生产商合作，以图获得器件的高产量，且处于研发阶段。但是如果器件不能商品化，使用这些器件的系统也就不能商品化。
　　公司提及的其他要点包括，对于不会降低功率密度性能的压控常闭器件的需要，以及可以经受住长期可靠性和高温环境的半导体镀金工艺。时下很多器件都是常开或者电流控制的。
　　Lostetter解释道，使用常开器件来开发功率系统需要十分小心，特别需要小心的是当系统出现灾难性事故时候的保护，例如防止所有功率器件同时打开，直接将电源接地。

图4：由APEI Inc.开发的用于NASA的金星登陆机器人的
全SiC材料的直流电机驱动，可以应用于500℃以上的温度中。

　　在材料层面上，APEI看到了对强模具材料的需求，在功率层上它必须长期可靠、防止扩散、耐腐蚀，机械上可靠的功率层，可以应付极端温度波动不会因为热扩张和应力破裂而产生损坏。
　　一些原型产品已经出现，而一些SiC驱动工程仍有很长的战线。APEI提及他在于美国政府客户合作中的令人激动的发展。高功率密度三相电机驱动正在应用于美国军队的未来战斗系统（FCS）项目。此系统连接全电子或混合电子战斗车辆，目标与2020年完成。Lostetter说：“当APEI论证了3-5kW SiC电机驱动的时候，实际的需求可能已经倒100-1000kW了，我们相信这些目标的论证会在2-3年内实现，而商业化会在之后的3-5年内实现。”
　　APEI公司一个更有野心的项目是为美国国家航空和宇宙航行局NASA的喷气动力实验室的金星探索者号（VISE）开发的极端环境用直流电机驱动。这个计划仍处于设计阶段，目标是把探索机器人投放到金星表面。VISE类似成功的火星探索机器人，但是金星的环境更加严酷：表面温度超过485℃，压力超过90个大气压，大气层硫酸浓度很高。

　　NASA的时间表
　　Lostetter说：“APEI Inc.的基于SiC技术的电机驱动可以允许机器人完成牵引、负重等功能，而且使用齿轮传动，而不需要昂贵且很重的电子防护和热处理系统，而在以前，这些都是必须的。而且基于硅的系统在冷却液用尽之后的很短时间里就会出问题。”APEI估计全SiC材料的电机驱动会在2010年完成，这满足NASA将在2013年启动VISE项目的时间安排。
　　同时，TransSiC的Hammarlund对于SiC材料难点的去除很有信心，他总结道“到时，我们的产量会很大，而且可以提供50A的芯片。”
　　功率控制碳化硅的现状类似“Catch 22”的情况。当可靠的SiC器件大量可用且价格低廉的时候，用户和相应的应用场合自然会出现，从另一方面讲，当有足够的用户需求的时候，SiC才能商业化。
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nbsp;                                                                翻译：辛磊夫

文章编号：070203
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　　www.abb.com/semiconductors
　　www.apei.net (Arkansas Power Electronics Intl.)
　　www.controleng.com
　　www.nasa.gov (search VISE)
　　www.rockwellautomation.com
　　www.tranSiC.se
　　www.yaskawa.com