1、碳化硅场效应管SiC-MOSFET
在碳化硅电力电子器件的研究中,SiC-MOSFET是最受关注的器件。在Si材料接近理论性能极限的今天,SiC功率器件由于具有耐压高、损耗低、效率高等特点,一直被视为理想器件而备受期待。不过,与以往的Si材料器件相比,SiC功率器件在性能和成本之间的平衡以及其对高技术的要求,将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。
2、碳化硅MOS的结构
碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)的N+源区和P阱掺杂均采用离子注入掺杂,并在1700°C的温度下进行退火和激活。另一个关键工艺是碳化硅MOS栅氧化层的形成。由于碳化硅材料中同时含有Si和C原子,因此需要一种非常特殊的栅介质生长方法。SiC-MOSFET采用沟槽结构,以最大限度地发挥SiC的特性。
3、碳化硅MOS的优点
硅IGBT通常只能工作在20kHz以下的频率。由于材料的限制,高压和高频硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适用于600V至10kV的宽电压范围,而且具有单极器件的优良开关性能。与硅IGBT相比,当开关电路中没有电流拖尾时,碳化硅MOSFET具有更低的开关损耗和更高的工作频率。
一个20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比一个3kHz的硅IGBT模块低一半,一个50A的碳化硅模块可以取代一个150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率方面的巨大优势。
碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。对于相同额定电流为900V的器件,碳化硅MOSFET寄生二极管的反向电荷仅为相同电压规格的硅基MOSFET的5%。对于桥式电路(尤其是当LLC转换器工作在谐振频率以上时),这个指标是非常关键的。可以减小体二极管的死区时间和反向恢复带来的损耗和噪声,便于改进。开关工作频率。
4、碳化硅MOS管的应用
碳化硅MOSFET组件在光伏、风电、电动汽车、轨道交通等中、大功率电力系统应用中具有巨大优势。碳化硅器件的高电压、高频率、高效率的优势,可以突破现有电动汽车电机设计中器件性能的限制。这是目前国内外电动车电机领域的研发重点。例如,电装和丰田联合开发的混合动力汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)中的功率控制单元(PCU)采用碳化硅MOSFET模块,体积比降低到1/5。三菱公司开发的电动汽车电机驱动系统使用SiC MOSFET模块。功率驱动模块集成到电机中,实现了集成化、小型化的目标。以预计,碳化硅MOSFET模块在近几年内将在国内外电动汽车上得到广泛应用。
5、SIC碳化硅MOS管的研制
我国碳化硅MOS管的使用率还很低,处于叫好不叫座的尴尬局面。原因主要有以下几点。
价格偏高
许多工程师也认为,碳化硅MOS的价格是硅MOS的几倍。以100A/1200V(17毫欧内阻)为例,国外各大品牌在2023年初的单价普遍在300元以上。
发货周期太长
目前国外品牌的货源普遍非常紧张,部分品牌的订单周期甚至达到4—12个月。
驱动电路难以选择
驱动碳化硅MOS管时,由于需要负电压关断,驱动电流比较大,需要一个匹配的驱动电路工作。不过,目前市面上的驱动电路很少,单价也比较高。
如今,随着技术的不断发展,上述问题已一一得到解决。
高单价的问题:
目前,国内品牌已开始批量生产碳化硅MOS管产品,打破了国外品牌垄断。据估计,随着制造的国产化,碳化硅MOS将大大低于同等电流水平下的硅MOS和IGBT器件。SiC MOSFET价格将继续下跌。
供应周期问题:
国外碳化硅MOS管供应商基本上是接到订单后才安排生产的。此外,近年来电动汽车制造商的订单激增,导致其供货周期普遍较长。
然而,国内厂商进入碳化硅MOS管领域后,就彻底打破了这一模式。基本上,我是提前估计需求,自己准备大量的商品。一般情况下,客户一下订单,普通型号就可以提货。
驱动电路:
目前,国内许多客户使用分立元件构建驱动电路。大家都发现,这种电路不仅性能优良,而且元器件容易采购,成本也很低。
此外,使用KeepTops碳化硅MOS管还可以帮助您解决以下问题:
1、显著提高效率,降低系统温升。
2、缩小电源的体积。
SiC MOSFET的发展现状指出,解决方案的主要商业障碍,包括价格,可靠性,耐用性和供应商的多样性。尽管价格高于硅IGBT,SiC MOSFET已经成功,由于成本抵消系统级的好处。着材料成本的下降,这一技术的市场份额在未来几年将显著增加。在过去的两年中,SiC MOSFET似乎终于准备好了广泛的商业成功,并在绿色能源运动中发挥重要作用。
审核编辑:汤梓红
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