2021年3月3日,
彼得·金蒙博士
电力技术商用高压碳化硅器件的前景综述
SiC功率器件有潜力达到超过30 kV的额定电压，然而今天，SiC芯片制造商专注于600-1700 V的SiC mosfet和肖特基二极管。在这篇文章中，我将探讨与高压(HV) SiC设备相关的问题，并试图回答为什么10kv设备似乎仍离商业现实还有一点距离的问题。
今天，碳化硅(SiC)作为电力电子领域下一个重大产品的潜力就摆在我们面前。越来越多的公司已经实现了从600 V到1700 V的快速开关、低电阻肖特基二极管和mosfet。在这个电压范围内，这些设备是最优的汽车和太阳能逆变器应用(以及更多的)，给电力电子设计师在发展有价值的工具小、轻、高效的解决方案．
然而，碳化硅的干扰效益并不是始于和终止于目前可用的非常窄的电压范围。有许多应用，包括牵引、工业机械、固态变压器和几个电网级应用，可以受益于一系列完全优化的SiC功率设备，额定电压高达10 kV，甚至更高。例如，在高压直流转换的实现中，SiC mosfet或igbt可以替代VSC变换器中的Si igbt，通过使用更少的设备使电流解决方案更小、更简单，或潜在地扩大电压范围，超出目前可实现的范围。
SiC的材料特性使其能够承受比硅(Si)大9倍的电场(单位长度电压)。这个~9x比率是利用现有的硅市场预测SiC技术的全部潜力的有用尺度。例如，探索市场上可用的器件，你会注意到额定1200 V的SiC mosfet和额定150-200 V的Si mosfet在导通电阻和电流额定值上的等效性，正如TechInsights最近讨论的那样年度电力研讨会．因此，随着硅超结MOSFET器件可提供高达900 V，硅igbt和晶闸管可提供超过6kv的igbt，可以预见SiC器件的上限比今天的1700 V MOSFET高得多。对于单极器件(mosfet和肖特基)，高达10 kV的电压似乎是可以实现的，而双极器件(igbt和晶闸管)，至少在理论上可以超过30 kV。碳化硅双极的情况本身就是一个有趣的话题(可能在未来的文章中会提到!)，但这些目前确实存在一些问题，即目前碳化硅的载流子寿命，以及市场上P+基板的缺乏。
图1 GeneSiC 3.3 kV MOSFET芯片
实际上，很少有技术障碍阻止单极器件(肖特基二极管和mosfet)超过1700 V的升级。事实上，3.3千伏的设备现在已经可以买到，诞生的已经释放了3.3 kV mosfet(如图1所示，可达35 A)和二极管(可达5 A)，同时三菱电机将自己的3.3 kV产品集成到模块中。虽然所有主要制造商尚未释放产品> 1700 V，但每年在国际SIC会议上，WolfSpeed释放关于其“中型电压”示范器件的数据，包括mosfet额定电压可达15 kV和额定电压30kv的igbt和晶闸管．
放大SiC mosfet的一个积极方面是减少了对沟槽栅的依赖，从而降低了导通电阻。这是因为随着mosfet额定电压的增加，漂移区电阻也在增加，它在总RDS中所占的比例越来越大。在10kv时，漂移区域的电阻使衬底和沟道区域的贡献相形见绌，这意味着即使是平面器件的总RDS也非常接近SiC的单极极限，在给定电压下可达到的最低电阻。
SiC材料的成本随着电压范围的增加而增加，这些成本可以估计如下。根据作者在2020年获得的厚外延材料的价格(尽管是小订单)，10kv SiC MOSFET开发所需的100µm外延材料的SiC衬底价格是1200v 10µm衬底价格的4倍以上。考虑到芯片尺寸的差异，由于更大的终端，一个10kv, 50a芯片的成本将比一个1200v, 50a芯片贵6倍以上。然而，这并不是什么新鲜事;芯片成本总是随着电压的增加而增加。与以往一样，规模经济和竞争将在短时间内降低这些材料的成本，而更高的价格将更容易被这些利基应用领域吸收。
笔者认为，高压碳化硅器件产品的发展不受技术壁垒和成本的制约。在这些电压下，有些问题需要解决，但这是每个新设备类别的真实情况。相反，在我看来，高压设备发展的唯一障碍是600- 1700v市场的规模和竞争，而这背后的驱动力是电动汽车。相比之下，在牵引或高压直流领域，高压应用的市场规模非常小。因此，向这一领域扩展将需要这些更大的市场达到饱和，或者需要像GeneSiC这样更加敏捷的公司继续领先。
参考文献
GeneSiC G2R120MT33J 3300 V 120 mΩSiC MOSFET功率平面图分析（PFR-2102-801）
英飞凌IMW65R107M1HxKSA1 650 V CoolSiC Power Essentials(pef - 2003 - 802)
Rohm SCT3022ALGC11 SiC MOSFET功率基本(pef - 1905 - 802)
彼得·金蒙博士，副教授（读者）沃里克大学以及PGC SiC咨询公司的创始人
Peter Gammon博士在SiC功率器件的设计、制造和测试方面有15年的经验80篇期刊和会议论文在这个问题上。他是主要的研究项目进入发展10kv SiC igbt， 3.3 kV碳化硅二极管和辐射硬碳化硅器件的卫星应用。的能源课题组电力电子应用与技术在华威大学主办的最先进的碳化硅设施，包括一个SiC制造洁净室，一个SiC CVD反应器，一个封装实验室，以及一套用于SiC电力电子设备的电气特性和可靠性测试的设施。
