SiC与功率器件半导体材料知识汇总

半导体（Semiconductor）是现代电子信息社会的物理基石，并已成为推动各种革命性变革和创新的强大驱动力，这点已是当前的社会共识。而功率器件正是半导体大产业的细分类别之一，在从电网、高铁等高功率装备、设备，到家电、数码产品、手机等中低功率日常消费电子产品中，功率器件都扮演着不可或缺的电能转换、供给的角色。

功率器件也称电子电力器件，是主要用于电气工程、电力系统中，根据负载的要求处理电路中电力转换的器件，从而使电气设备得到最佳的电能供给和高效、安全、经济的运行。与普通的半导体器件一样，目前功率器件所采用的主要材料仍然是硅，但由于硅基材料自身的物理属性限制，在电力转换领域以碳化硅为代表的第三代半导体材料制作的功率器件正逐渐崭露头角。半导体产业的发展始于功率器件，因此我们从半导体材料的发展历程讲起。

1. MCT (MOS Control ledThyristor)：MOS控制晶闸管

MCT的等效电路图

MCT 是一种新型MOS 与双极复合型器件。如上图所示。MCT是将 MOSFET 的高阻抗、低驱动图 MCT 的功率、快开关速度的特性与晶闸管的高压、大电流特型结合在一起，形成大功率、高压、快速全控型器件。实质上MCT 是一个MOS 门极控制的晶闸管。它可在门极上加一窄脉冲使其导通或关断，它由无数单胞并联而成。它与GTR，MOSFET， IGBT，GTO 等器件相比，有如下优点：

(1)电压高、电流容量大，阻断电压已达3 000V，峰值电流达1 000 A，最大可关断电流密度为6 000kA/ m2;

(2)通态压降小、损耗小，通态压降约为11V;

(3)极高的dv/dt和di/dt耐量，dv/dt已达 20 kV/s ，di/dt为2 kA/s;

(4)开关速度快， 开关损耗小，开通时间约200ns，1 000 V 器件可在2 s 内关断;

   

2. IGCT( Intergrated Gate Commutated Thyristors)

IGCT 是在晶闸管技术的基础上结合 IGBT 和GTO 等技术开发的新型器件，适用于高压大容量变频系统中，是一种用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体器件。

IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点。在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT 芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器功率0.5~ 3 MW，三电平逆变器 1~ 6 MW;若反向二极管分离，不与IGCT 集成在一起，二电平逆变器功率可扩至4 /5 MW，三电平扩至 9 MW。

目前，IGCT 已经商品化， A B B 公司制造的 IGCT 产品的最高性能参数为4[1] 5 kV / 4 kA ，最高研制水平为6 kV/ 4 kA。1998 年，日本三菱公司也开发了直径为88 mm 的GCT 的晶闸管IGCT 损耗低、 开关快速等优点保证了它能可靠、高效率地用于300 kW~ 10 MW 变流器，而不需要串联和并联。

3. IEGT( Injection Enhanced Gate Transistor) 电子注入增强栅晶体管

IEGT 是耐压达 4 kV 以上的 IGBT 系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT 具有作为MOS 系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。另外，通过模块封装方式还可提供众多派生产品，在大、中容量变换器应用中被寄予厚望。日本东芝开发的 IECT 利用了电子注入增强效应，使之兼有 IGBT 和 GTO 两者的优点: 低饱和压降，安全工作区(吸收回路容量仅为 GTO 的十分之一左右) ，低栅极驱动功率(比 GT O 低两个数量级)和较高的工作频率。器件采用平板压接式电机引出结构，可靠性高， 性能已经达到4.5 kV/ 1 500A 的水平。

4. PE B B(Power Electric Building Block) 

典型的PE B B

电力电子积木PE B B ( Pow er Elect ric Building Block ) 是在IPEM 的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PE B B 并不是一种特定的半导体器件，它是依照最优的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。典型的PE B B 上图所示。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PE B B 除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。PE B B 有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PE B B 可以组成电力电子系统。这些系统可以像小型的DC- DC 转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中， PEB B的数量可以从一个到任意多个。多个 PE B B 模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能，PE B B 最重要的特点就是其通用性。

5.碳化硅与碳化硅 ( SiC ) 功率器件

在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅 ( SiC ) 功率器件。它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级，碳化硅与其他半导体材料相比，具有下列优异的物理特点: 高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的击穿强度，低的介电常数和高的热导率。上述这些优异的物理特性，决定了碳化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。在同样的耐压和电流条件下，SiC器件的漂移区电阻要比硅低200倍，即使高耐压的 SiC场效应管的导通压降，也比单极型、双极型硅器件的低得多。而且，SiC器件的开关时间可达10nS量级，并具有十分优越的 FBSOA。

SiC可以用来制造射频和微波功率器件，各种高频整流器，MESFETS、MOSFETS和JFETS等。SiC高频功率器件已在Motorola公司研发成功，并应用于微波和射频装置。GE公司正在开发SiC功率器件和高温器件(包括用于喷气式引擎的传感器)。西屋公司已经制造出了在26GHz频率下工作的甚高频的MESFET。A B B公司正在研制高功率、高电压的SiC整流器和其他SiC低频功率器件，用于工业和电力系统。

自功率IC出现以后，功率半导体市场从单一的功率器件产品，丰富为功率器件、功率集成电路产品并存，而又由于各代功率半导体产品在自身结构体系内不断迭代、在不同的应用领域及生产成本方面各有优势，当前整个功率半导体市场呈现出多代产品共存的局面。

未来，随着半导体加工技术及功率半导体技术的不断发展，电力电子技术也在不断向前发展，并表现出如下特征：1、降低产品的重量、体积；2、减少电力转换过程中的损耗；3、降低生产成本，缩短研发周期；4、降低产品的失效率，提升产品的可靠性；5、进一步提升功率密度和开关频率，以适应更多新兴发展方向；6、多代产品依照其功能、价格特点，依旧保持共存局面。

编辑：黄飞