您好, 歡迎來到化工儀器網
碳化硅半導體
在性能上的增長，純硅功率晶體管有著令人羨慕的成績，然而，對于高要求的功率開關和控制的應用上，它似乎已經到達了它的極限。
碳化硅（SiC），作為一種新型半導體材料，具有潛在的優(yōu)點：更小的體積、更有效率、*去除開關損耗、低漏極電流、比標準半導體（純硅半導體）更高的開關頻率以及在標準的125℃結溫以上工作的能力。小型化和高工作耐溫使得這些器件的使用更加自如，甚至可以將這些器件直接置于電機的外殼內。
任何一種新技術都會經歷由發(fā)展到成熟的過程，SiC也不例外。標準功率開關，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），有很大的產品基礎和優(yōu)化的生產技術。而SiC卻需要投入大量經費和研發(fā)資金來解決材料問題和完善半導體制造技術。然而這種功率開關器件，能夠在正向導通大電流和反向截止千伏電壓之間快速執(zhí)行開關動作，這樣的性能是值得一試的。
SiCzui初的成功應用和主要應用發(fā)光二極管，用于汽車頭燈和儀表盤其他照明場合。其他的市場包括開關電源和肖特基勢壘二極管。將來會應用到包括混合動力車輛、功率轉換器（用于減小有源前置濾波器的體積）和交流/直流電機控制上。這些更高要求的應用還沒有商業(yè)化，因為它們需要高質量的材料和大規(guī)模的生產力來降低成本。在*范圍內，大量的研究經費投入到了公司、實驗室和政府設施，以使SiC技術更加可行。一些專家預言，SiC技術的商業(yè)化、工業(yè)化甚至**應用將在2到5年或者更遠的時間內變成現實。
佳工機電網
圖1：APEI Inc.的這個功能齊全的基于SiC的3kW三相換流器原型，可以工作于
250℃以上的溫度。
電機控制生產商對于SiC的發(fā)展特別有興趣，有些甚至與研究人員和半導體生產商進行合作來促進SiC的發(fā)展。但是他們大多數都對這種協(xié)作關系閉口不談。
SiC技術的促進者
Rockwell Automation公司標準驅動部門的顧問工程師Gary Skibinski博士說：“Rockwell Automation看到了這個新技術的潛在優(yōu)點并認為自己是SiC技術的促進者。Rockwell公司也確定了SiC技術會如何融入其將來的商業(yè)計劃。對于一個的公司，理解并接納新興技術是至關重要的。”
發(fā)展正在逐步進行。Skibinski舉例道，在驅動模塊的每個標準IGBT上附加一個SiC功率二極管，作用如同變極飛輪二極管，作為提高生產力邏輯上的*步；這種改變其次將會應用于功率開關上。他說：“純SiC驅動仍處于研發(fā)和原型論證階段。”
相對于純SiC模型（Si IGBT+反平行二極管開關）的進展，在近期對于Si-SiC混合型功率模型（Si IGBT+商業(yè)SiC二極管）的研究中，Rockwell公司在減少能量損耗和增加載波頻率上獲得突破性進展。此模型總的功率損耗為Eon+Err+Eoff（見圖2）。對于Si或者SiC二極管，不管Rgate值如何變化，Eoff的值都不會變化，但是當使用SiC二極管時，其他的兩個功率損耗分量會因Rgate值的變化而發(fā)生變化。對于任何Rgate值，二極管反向恢復損耗Err實際上已經幾乎減小到0（94%）。當Rgate=25Ω時GBT的Eon減小了37%，當Rgate=8絞?，IGBT的Eon減小了85%。
佳工機電網
圖2：Rockwell Automation 近期的調查顯示，相對于全硅模塊，Si-SiC混合模塊可以潛在地
減小功率損耗Eon和Err。為了便于比較，全硅模塊的IGBT功率損耗En被規(guī)格化為每一個單位3.3mJ。
研究的結果證明了更高開關頻率的可能性，在以前，更高的開關頻率一直受限于純硅二極管的反向恢復損耗。Err限制了在減小開啟損耗上的進一步發(fā)展。Skibinski解釋道：“硅模塊的供應商推薦使用一個門電阻Rgate (例如25 Ω，來平衡IGBT的開啟能量損耗(Eon) 關斷能量損耗(Eoff)。”然而對于SiC二極管，門電阻Rgate就可以省去不用了。
他說：“SiC二極管能夠降低總功率損耗(Eon+Err+Eoff)，這一特性仔驅動上的應用有著潛在優(yōu)點。”首先，在使用同樣的制冷系統(tǒng)的條件下，它可以達到4倍的開關頻率，可以使前置電磁濾波器具有更好的性能、更小的體積和更低的價格。或者，你也可以保留現在的開關頻率和制冷系統(tǒng)，這樣就可以得到更高的效率和穩(wěn)定性、更低的損耗、更高的額定輸出。降低的總功率損耗可以潛在地降低制冷花費。
Yaskawa Electric是另一個采用SiC技術的驅動生產商，他把SiC技術應用于雷達屏幕上。Yaskawa Electric總結SiC的基本的優(yōu)點有：高工作溫度、高開關速度、在導通和開關模式下都具有更低的損耗，這些是驅動系統(tǒng)更加有效率。
日本小倉Yaskawa Electric公司研發(fā)實驗室的IEEE的特殊會員Tsuneo J. Kume博士在Control Engineering中說道：“這種低損耗的特性，加上高工作結溫，是碳化硅器件和制冷系統(tǒng)具有更小的體積，進而導致具有更高功率密度的驅動系統(tǒng)的成為可能。而且，高頻開關性能極大地改進了控制系統(tǒng)的響應和帶寬。”Yaskawa公司正在與*的半導體生產商密切合作，例如Mitsubishi Semiconductors公司，只要技術成熟，將會推出具有*技術的SiC器件。據Kume說，這種技術正在為實際應用和質量作進一步實驗，使用這種新技術的驅動產品，暫時還沒有開始開發(fā)。