宽禁带半导体电力电子器件研发新进展 review on wide bandgap semiconductor power electronic device.pdfVIP

No．1l 第43卷第11期 电力电子技术 V01．43 2009年11月 PowerElectronics November，2009 宽禁带半导体电力电子器件研发新进展 陈治明 (西安理工大学，陕西西安710048) 理论和十余年的研发实践都已证明，碳化硅、氮化镓和 因而漏极电流只有200mA。随着碳化硅晶体品质的提高和碳 4H-SiCDMOS的器件面 金刚石等宽禁带半导体比硅更适合用来制造电力电予器件。 化硅MOS工艺的日趋成熟，其10kV 随着材料与器件工艺以及封装技术的逐渐完善，这些器件超 积在2008年扩大到8．1lx8．1l[111112，漏极电流10A，电流密度 乎寻常的高阻断电压、低通态比电阻和比热阻、低开关损耗、 以及耐高温抗辐照等特点逐渐彰显于世．其开拓性的试用更 在零栅压下阻断10kV电压的能力可一直维持到200oC，而 在现代电力电子技术领域产生了不小的震撼，使新型电力电 雪崩击穿实际发生在近12kv处．如图l中深色曲线所示。该 予装置的开发有了更高的节能和环保目标。与使用硅器件的 器件的开关特性也非常好，其5kv测试电压下的关断时间仅 电力电子装置相比。使用宽禁带器件的装置因为散热条件的 有140ns．是当前最高水平市售硅[GBT(6．5kV)关断时间的 简化和无源元件的缩小而具有更大的功率密度。以混合动力 汽车的逆变器为例，美国能源部提出的研究目标是到2020年 8。ll 要使其转换效率在成本低于US$3．3／kW的前提F达到98％．通态比电阻降低到91mQ·cm2．关断时间降低到75ns。 而装置的质量功率密度要超过14．1 kW／kg，体积功率密度要 超过13．4 kW／L。这个为宽禁带半导体电力电子器件量身打 造的标准。预示着硅电力电子器件终将功成身退让位于碳化 硅、氮化镓等宽蔡带半导体电力电子器件。 l碳化硅单极器件与IGBT 碳化硅单极器件一苴是碳化硅电力电子器件研发的主 流，研发对象主要集中在肖特基势垒二极管(SBD)、结型场效 VDS／kV 陶l 10kV4H．SiC功率MOS与n沟IGBT的阻断特性曲线 应晶体管(JFET)和MOSFET等，并首先从SBD开始了碳化 硅电力电子器件的商业应用。碳化硅SBD的实验室纪录目前 图1中颜色较浅的曲线为按耐压10kV设计的4H—SiC 仍保持在高压器件阻断电压超过10 IGBT的阻断特性。除增加pn结外，该器件与卜-述功率MOS kVm。大电流器件通态电 流130 结构基本相同。但器件面积较小(5x5nllllz)。且为保持n型沟 A、阻断电压5kV的水平121。大电流碳化硅SBD除须用 较火面积芯片外(上述130A器件的有源区面积为8x8111／112)。还 道而采用P型4HoSiC衬底。因为利用了pn结的电导调制效 须采用Merged．pin．schottky(MPS)结构【3J。该结构利用pn结的 电导调制作用提高碳化硅SBD的浪涌电流承受力．被誉为第 二代碳化硅肖特基势垒二：极管。采用MPS结构之后．器件的 件下．其通态电流密度可比上述同电压等级的功率MOS高 浪涌电流承受力可提高2—3倍，其正向不重复峰值电流‰ 40％。IGBT和功率MOS的通态电阻温度系数都为正，旨适合 ms)可达到其标称额定电流的8-9倍，额于并联使用，但IGBT的温度系数较小，因而在200℃对的