SiC功率半导体器件的优势及发展前景演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,SiC,功率半导体器件的优势及发展前景,中国科学院半导体研究所,刘忠立,1,报告内容,1.Si,功率半导体器件的发展历程及限制,2.SiC,功率半导体器件,的,优势,3.SiC,功率半导体器件的发展前景,2,1.Si,功率半导体器件的发展历程及限制,Si,功率半导体器件的发展经历了如下三代,:,第一代,-Si,双极晶体管,(BJT),、晶闸管（,SCR,）及其派生器件。,功率晶闸管用来实现大容量的电流控制，在低频相位控制领域中已得到广泛应用。但是,由于这类器件的工作频率受到,dV/dt,、,di/dt,的限制，目前主要用在对栅关断速度要求较低的场合（在,KHz,范围）。,在较高的工作频率，一般采用功率双极结晶体管，但是对以大功率为应用目标的,BJT,，即使采用达林顿结构，在正向导通和强迫性栅关断过程中，电流增益,值一般也只能做到,2x10,4,A/cm,2,),线性区的电流密度达到,570A/cm,2,具有低到,1.9m,-cm,2,比导通电阻,其特性非常优良,。,21,4),平面功率,MOSFET,平面功率,MOSFET,如右图所示,。对于,SiMOSFET,当击穿电压超过,200V,时,导通电阻增加,。在高电压时其比导通电阻大于,10,-2,-,cm,2,它导致导通电流密度为,100A/cm,2,时导通压降大于,1V,。尽管改进的结构可以使其工作在,600V,以上，但是比导通电阻仍然很大，从而限制了它在高频下应用,。,SiC,功率,MOSFET,可以克服平面功率,MOSFET,的缺点，而安全工作区又比,Si,的,IGBT,好,。,22,右,图示出,4H-SiC,及,Si,的平面功率同,MOSFET,的比导通电阻的比较,。可以看出，对容易实现的电子迁移率,inv,=10cm,2/,V.S,，在,1000V,击穿电压时，,4H-SiC,器件的比导通电阻为,Si,器件的几十分之一,。而当,inv,=100cm,2,/V.S,时，,4H-SiC,器件的比导通电阻比,Si,器件的小,100,倍以上,。,23,5),槽栅功率,MOSFET,槽栅功率,MOSFET,增大了器件的沟道密度，同时消除了寄生,JFET,的串联电阻，因而改善了功率,MOSFET,的特性,。下图示出,4H-SiC,槽栅功率,MOSFET,同平面功率,MOSFET,比导通电阻的比较，可以看出，在,1000V,击穿电压下，槽栅器件的比导通电阻约改善了,10,倍,。,24,3.SiC,功率半导体器件的发展前景,由于,SiC,功率半导体器件,在电力电子应用领域具有节电节能及减小体积方面的巨大优势和应用前景，由此各国大力投入，竞相研究，并且在器件研究及应用方面不断地取得领人振奋的成绩。,在发展工业用的,SiC,功率半导体器件,中，首先推出的是,SiC,肖特基二极管，,2001,年,Infineon,公司推出,300V-600V(16A),的产品，接着,Cree,公司于,2002,年推出,600V,-1200V(20A),的产品，它们主要用在开关电源控制及马达控制中，,IGBT,中的续流二极管也是它们的重要用途。,2004,年,Cree,公司销售该系列产品达,300,万美元,此后销售额逐年上升,25,在军用方面，美国,Cree,公司受军方资助，已开发出,10kV/50A,的,SiC PiN,整流器件和,10kV,的,SiC MOSFET,。下一步他们将要按比例缩小这些器件的尺寸，以得到,10kV/110A,的器件模块，并将它们用于航母的电气升级管理中去。,在欧洲，德国、法国及西班牙将,SiC MOSFET,用于太阳能逆变器，获得,98.5%,的效率,它的普遍推广，将带来极可观的节能和经济效益。,26,27,28,29,30,31,三相光伏逆变器,B6-Bridge,750,7 kW,开关频率：,16.6 kHz,功率半导体器件,IGBT 2(BSM15GD120DN2),IGBT 3(FS25R12YT3),IGBT 4(FS25R12W1T4),SiC-MOSFET(CNM 1009),示例,1,32,三相光伏逆变器效率,20,年内,IGBT,将会和目前的,SiC,元件具有同样的性能,33,一台利用,SiC,晶体管,7kW,光伏逆变器的经济效益,能量增益,(,每年,),最大再生能源发电补助,/KWA,效率提高代来的增益,(,每年,),效率提高带来的增益,(10,年,),佛莱堡,(,德国,),140KWh,0.45EUR,63EUR,630EUR,阿尔梅亚,(,西班牙,),275KWh,0.44EUR,121EUR,1210EUR,马 赛,(,法国,),250KWh,0.55EUR,137EUR,1370EUR,34,单相,HERIC,-,逆变器,H4-,桥,+HERIC-,开关管,350,5 kW,开关频率：,16 kHz,功率半导体器件,IGBT:FGL40N120AND,SiC Transistors:MOSFET(CNM 1009),JFET(SJEP120R063),SiC Diodes:C2D20120D,示例,2,35,单相,HERIC-Inverter,效率,当,MOSFET,高温时，采用,MOSFET,和,JFETs,的,效率相等,测量结果包括辅助源的损耗,36,效率与温度的关系,(HERIC,-,逆变器,),最高效率和温度无关,更小的散热装置,损耗减半,散热装置温度可以更高,37,效率与电压关系,(HERIC,-,逆变器,),SiC,晶体管最高效率与直流电压关系不大,可以用于宽范围的输入电压,38,逆变器最高效率提升图,39,未来,Si,的,IGBT,有望用,SiC,功率,MOSFET,代替，而,Si,的,iN,整流二极管将会被,SiC,肖特基二极管取代。另外，由于,SiC PN,结二极管可以用低寿命的飘移区实现快恢复，在应用时，,SiC,功率,MOSFET,的内部体二极管可以取代并联的肖特基二极管，它将有利于简化电路结构。,SiC,功率将会带来更好的效益。,随着,SiC,材料及器件工艺的不断进步，,SiC,功率器件的价格必将不断下降，,SiC,功率器件在电力电子工业中的推广应用也将是必然的趋势，因此，,SiC,功率器件的发展前景是十分美好的。,40,谢谢,!,41,