如今-碳化硅二极管在各个领域的应用

本文主要是讲碳化硅二极管的应用领域与历史介绍，详解碳化硅MOS管分类及结构。

目前使用SiC 生产的半导体设备有多种，包括肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，或SBD）、J 型FET（或JFET），以及用于大功率开关应用的MOSFET。Cree 在2011 年生产了第一款商用1200 V MOSFET。在此期间，一些公司也开始尝试将SiC 肖特基二极管裸芯片应用到电力电子模块中。事实上，SiC SBD 已广泛用于IGBT 电源模块和功率因数校正(PFC) 电路。

SiC的利与弊

SiC 基电力电子元件如此吸引人的一个原因就是，在既定阻断电压条件下，其掺杂密度比硅基设备几乎高出百倍。这样就可以通过低导通电阻获得高阻断电压。低导通电阻对高功率应用至关重要，因为导通电阻降低时发热少，从而减少了系统热负荷并提高了整体效率。

但生产SiC 基电子元器件本身也存在一些难点，消除缺陷成了最重要的问题。这些缺陷会导致SiC 晶体制成的元器件反向阻断性能较差。除了晶体质量问题，二氧化硅和SiC 的接口问题也阻碍了SiC 基功率MOSFET 和绝缘栅双极型晶体的发展。幸运的是，生产中使用渗氮工艺可使造成这些接口问题的缺陷大大降低。

如今-碳化硅二极管在各个领域的应用

1.太阳能逆变器

太阳能发电用二极管的基本材料，碳化硅二极管的各项技术指标均优于普通双极二极管(silicon bipolar)技术。碳化硅二极管导通与关断状态的转换速度非常快，而且没有普通双极二极管技术开关时的反向恢复电流。在消除反向恢复电流效应后，碳化硅二极管的能耗降低70%，能够在宽温度范围内保持高能效，并提高设计人员优化系统工作频率的灵活性。

2.新能源汽车充电器

碳化硅二极管通过汽车级产品测试，极性接反击穿电压提高到650V，能够满足设计人员和汽车厂商希望降低电压补偿系数 的要求，以确保车载充电半导体元器件的标称电压与瞬间峰压 ，之间有充足的安全裕度 。二极管的双管产品 ，可最大限度提升空间利用率，降低车载充电器的重量。

3.开关电源优势

碳化硅的使用可以极快的切换，高频率操作，零恢复和温度无关的行为，再加我们的低电感RP包，这些二极管可以用在任向数量的快速开关二极管电路或高频转换器应用。

4.工业优势

碳化硅二极管：重型电机、工业设备主要是用在高频电源的转换器上，可以带来高效率、大功率、高频率的优势。

SiC器件

一、SiC器件分类

SiC-MOSFET

SiC-MOSFET 是碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。成果比较突出的就是美国的Cree公司和日本的ROHM公司。

在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。然而，相对于以往的Si材质器件，SiC功率器件在性能与成本间的平衡以及其对高工艺的需求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

二、碳化硅MOS的结构

碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源区和P井掺杂都是采用离子注入的方式，在1700℃温度中进行退火激活。另一个关键的工艺是碳化硅MOS栅氧化物的形成。由于碳化硅材料中同时有Si和C两种原子存在，需要非常特殊的栅介质生长方法。其沟槽星结构的优势如下：

SiC-MOSFET采用沟槽结构可最大限度地发挥SiC的特性。

三、碳化硅MOS的优势

硅IGBT在一般情况下只能工作在20kHz以下的频率。由于受到材料的限制，高压高频的硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适合于从600V到10kV的广泛电压范围，同时具备单极型器件的卓越开关性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在开关电路中不存在电流拖尾的情况具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比3kHz的硅IGBT模块低一半， 50A的碳化硅模块就可以替换150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率上的巨大优势。

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。如图所示，同一额定电流900V的器件，碳化硅MOSFET 寄生二极管反向电荷只有同等电压规格硅基MOSFET的5%。对于桥式电路来说（特别当LLC变换器工作在高于谐振频率的时候），这个指标非常关键，它可以减小死区时间以及体二极管的反向恢复带来的损耗和噪音，便于提高开关工作频率。

四、碳化硅MOS管的应用

碳化硅MOSFET模块在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。碳化硅器件的高压高频和高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计上因器件性能而受到的限制，这是目前国内外电动汽车电机领域研发的重点。如电装和丰田合作开发的混合电动汽车（HEV）、纯电动汽车（EV）内功率控制单元（PCU），使用碳化硅MOSFET模块，体积比减小到1/5。三菱开发的EV马达驱动系统，使用SiC MOSFET模块，功率驱动模块集成到了电机内，实现了一体化和小型化目标。预计在2018年-2020年碳化硅MOSFET模块将广泛应用在国内外的电动汽车上。