【導讀】據預測，采用 SiC 的功率模塊將進入諸如可再生能源、UPS 電源、驅動器和汽車等應用。風電和牽引應用可能會隨之而來。 到 2021 年，SiC 功率器件市場總額預計將上升到 10 億美元 [1]。在某些市場，如太陽能，SiC 器件已投入運行，盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力，即使價格更高也心甘情愿地被接受？
據預測，采用 SiC 的功率模塊將進入諸如可再生能源、UPS 電源、驅動器和汽車等應用。風電和牽引應用可能會隨之而來。 到 2021 年，SiC 功率器件市場總額預計將上升到 10 億美元 [1]。在某些市場，如太陽能，SiC 器件已投入運行，盡管事實上這些模塊的價格仍然比常規硅器件高。是什么使這種材料具有足夠的吸引力，即使價格更高也心甘情愿地被接受？
首先，作為寬禁帶材料，SiC 提供了功率半導體器件的新設計方法。傳統功率硅技術中，IGBT 開關被用于高于 600V 的電壓，并且硅 PIN- 續流二極管是最先進的。硅功率器件的設計與軟開關特性造成相當大的功率損耗。有了 SiC 的寬禁帶，可設計阻斷電壓高達 15kV 的高壓 MOSFET，同時動態損耗非常小。有了 SiC，傳統的軟關斷硅二極管可由肖特基二極管取代，并帶來非常低的開關損耗。作為一個額外的優勢，SiC 具有比硅高 3 倍的熱傳導率。連同低功率損耗，SiC 是提高功率模塊中功率密度的一種理想材料。目前可用的設計是 SiC 混合模塊（IGBT 和 SiC 肖特基二極管）和全 SiC 模塊。
SiC 混合模塊
SiC 混合模塊中，傳統 IGBT 與 SiC 肖特基二極管一起開關。雖然 SiC 器件的主要優勢是與低動態損耗相關，但首先討論 SiC 肖特基二極管的靜態損耗。通常情況下，SiC 器件的靜態損耗似乎比傳統的硅器件更高。圖 1.a 顯示了傳統軟開關 600V 賽米控 CAL HD 續流二極管的正向壓降 Vf，為低開關損耗而優化的快速硅二極管和 SiC 肖特基二極管，所有的額定電流為 10 A。
圖 1.a 中：25℃和 150℃下不同續流二極管的正向電流與正向壓降。對比了 10A 的 SiC 肖特基二極管，傳統的軟開關硅二極管（CAL HD）和快速硅二極管（硅快速）。1.b：同一二極管的正向壓降和電流密度（正向電流除以芯片面積）。
在 10A 的額定電流下，硅續流二極管展現出最低的正向壓降，SiC 肖特基二極管的 Vf 更高，而快速硅二極管展現出最高的正向壓降。正向電壓與溫度之間的關聯差別很大：快速硅二極管具有負的溫度系數，150°C 下的 Vf 比 25°C 下的 Vf 低。對于 12A 以上的電流，CAL 的溫度系數為正，SiC 肖特基二極管即使電流為 4A 時，溫度系數也為正。由于二極管通常并聯以實現大功率器件，需要具有正溫度系數以避免并聯二極管中的電流不平衡和運行溫度不均勻。這里，SiC 肖特基二極管顯示出最佳的性能。但與常規硅二極管相比，SiC 肖特基二極管的靜態損耗較高。由于二極管是基于 10A 額定電流進行比較的，考慮不同供應商的器件之間有時不同的額定電流定義是很重要的。為了更加深入地了解器件性能，畫出電流密度（正向電流除以芯片面積）與正向壓降之間的關系是有用的，它考慮到了芯片的面積。圖 1.b 顯示了等效電流密度，傳統硅二極管和 SiC 肖特基二極管具有非常相似的正向壓降，而快速硅二極管的 Vf 仍然是最高的。換句話說，當使用相同的芯片面積時，硅二極管和 SiC 二極管具有可比的靜態損耗。通常 SiC 芯片尺寸更小，由于額度電流的確考慮到了靜態和動態損耗，額定電流，所以帶來較小的總損耗，因此縮小了芯片的尺寸。
看一下 SiC 肖特基二極管的動態損耗，可以清楚地看到 SiC 器件的主要優點，見表 1。
表 1：傳統硅續流二極管（CAL HD）、SiC 肖特基二極管和快速硅二極管的動態參數。所有二極管額定電壓 1200V，額度電流 10A。
于常規硅二極管相比，SiC 肖特基二極管的反向恢復電流 IRRM 要低 50%以上，反向恢復電荷 QRR 降低了 14 倍，關斷損耗 Eoff 降低了 16 倍。Si- 快速二極管顯示了比常規硅二極管更好的特性，但它不會達到 SiC 肖特基二極管那樣的優異動態特性。由于 SiC 肖特基二極管動態損耗低，可以顯著減少逆變器損耗，節約用于冷卻的開支并且增加逆變器的功率密度。此外，低動態損耗使 SiC 肖特基二極管非常適合高開關頻率。
另一方面，快速開關的續流二極管可能有個缺點，反向電流非常陡峭的下降可能導致電流截止和振蕩。在使用硅二極管的情況下，電流截止是由軟關斷特性控制的。圖 2 比較了在 CAL HD 和 SiC 肖特基續流二極管的關斷特性。
圖 2：硅二極管和 SiC 續流二極管關斷特性。SiC 二極管的關斷損耗幾乎看不出來。由于 SiC 二極管的關斷損耗小，反向電流迅速下降，使得反向電流和電壓上的振蕩小。
有了硅基 CAL HD 二極管，能夠觀測到 CAL 硅續流二極管眾所周知的軟關斷行為。由于反向電流平滑地減小，沒有看到電壓尖峰和振蕩。另一方面，軟關斷行為會帶來顯著的關斷損耗，因為當二極管上的電壓上升時有相當大的反向電流流過。SiC 肖特基二極管基本上沒有顯示出任何的反向恢復電荷，因此關斷損耗非常低。由于反向電流的迅速減小，產生小的振蕩，可以在反向電流和壓降中見到紋波。在我們的例子中，SiC 肖特基二極管的快速關斷行為通過優化 DCB 上的芯片布局和模塊的低雜散電感進行處理。因此，電壓振蕩很小，不會導致顯著過電壓尖峰。因此，能夠管理快速開關二極管的缺點，并通過優化的模塊設計充分利用 SiC 肖特基二極管的優點。圖 3 中，通過對比傳統硅模塊和帶有快速硅 IGBT 和 SiC 肖特基二極管的 SiC 混合模塊顯示出 SiC 二極管的優點。
圖 3：傳統硅三相橋模塊的輸出電流（1200V，450A 溝道型 IGBT+CAL 續流二極管）和 SiC 混合三相橋模塊（1200V，300A 快速 IGBT 和 SiC 肖特基二極管）。安裝在水冷散熱器上的 SKiM93 模塊的熱損耗計算。
正如所料，SiC 肖特基二極管的優異動態特性顯著增加了模塊的輸出功率。給定芯片設置，該設置被選擇用于較高開關頻率下實現最佳性能，30kHz 下的可用輸出電流可以增加超過 70%。隨著開關頻率的進一步升高，混合 SiC 模塊所帶來的好處甚至更大。較低的損耗和由此而產生更大模塊級功率輸出可以以幾種方式被利用。逆變器的重量和體積可顯著減少，這對諸如汽車和航空航天應用很重要。利用高開關頻率，采用較小的 LC 濾波器是可能的，這可以減少逆變器尺寸和成本。最后但并非最不重要的是，更低的損耗在能效方面也是顯著的優勢，對諸如太陽能、UPS 和汽車應用很重要。
全 SiC 模塊
使用如 SiC MOSFETS 這樣的 SiC 開關，可進一步降低功率模塊的整體損耗。在表 2 中，對比了 1200V、25A 的三相橋 IGBT 模塊和 20A 全 SiC 組件的靜態和動態損耗。
表 2：1200V、25A IGBT 模塊（溝道型 IGBT+CAL 二極管）與 20A 全 SiC 模塊（SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極管）之間的靜態和動態損耗對比
全 SiC 模塊的靜態損耗高 17%，而動態損耗顯著降低：導通損耗低 3 倍，關斷損耗低超過 6 倍。從而，一個完整的 SiC 模塊的可用輸出功率大大高于傳統的硅技術，特別是在較高的開關頻率下，如圖 4.a 所示。
圖 4.a：1200V、20A 三相橋全 SiC 模塊和傳統 1200V、25A 三相橋 IGBT 模塊的輸出功率 Pout。 4.b：輸出功率除以芯片面積表示所用功率半導體的功率密度。熱損耗計算基于風冷散熱器，40°C 的環境溫度。
開關頻率高于 20KHz 時，全 SiC 模塊的輸出功率比 IGBT 模塊高 100%以上。此外，輸出功率對開關頻率的依賴也小。反過來，全 SiC 功率模塊可用于非常高的開關頻率，因為與 10kHz 時的輸出功率相比，40kHz 時的輸出功率只低 28%。當開關頻率低于 5kHz 時，IGBT 模塊顯示出較高的輸出功率。這是以內全 SiC 的模塊中所用的 SiC 芯片組是針對非常高的開關頻率而優化的。針對較低開關頻率的優化也是可能的。再次，通過考慮用于硅和 SiC 芯片的芯片面積，來處理這兩個模塊的功率密度是有用的。在圖 4b 中，輸出功率除以芯片面積得到功率密度。全 SiC 模塊的功率密度比 IGBT 模塊要高得多，甚至在開關頻率低于 5kHz 時。因此，通過使用更大的芯片面積來優化用于低開關頻率的全 SiC 模塊是可能的。 只要 SiC 芯片尺寸合適，SiC 器件可以在廣泛的開關頻率范圍內提供更高的輸出電流和輸出功率。
大功率 SiC 器件
大功率要求功率芯片和模塊大量并聯。目前，可以獲得額定電流高達 200A 的硅 IGBT 和傳統續流二極管，SiC MOSFET 和肖特基二極管的最大額定電流迄今為止小于 100A。因此，不得不并聯大量的 SiC 晶片以實現大額定功率。考慮到 SiC 器件的快速開關特性和振蕩趨勢，需要低電感模塊設計和 DCB 基板上優化的芯片布局。在下文中，1200V、900A 全 SiC 模塊與 1300A 的常規硅模塊相對比。 IGBT 模塊利用 2 塊并聯的 DCB 基板，每個基板配有并聯的 9 個 75A 溝道 IGBT，連同 5 個 100A CAL 續流二極管。為了獲得與 SiC 等效的功率輸出，并且由于可以獲得額定電流較低的 SiC 器件，全 SiC 模塊采用 2 塊 DCB 基板，每個基板配備有 23 個 20A SiC-MOSFET 和 34 個 13.5A SiC 肖特基續流二極管。全 SiC 模塊中，共有 46 個 SiC MOSFET 和 68 個 SiC 肖特基二極管被并聯。表 1 示給出了 Si 和全 SiC 模塊基本數據的對比。
表 3：1200V，900A 全 SiC 模塊和其 1300A IGBT 等效器件的電氣及熱特性數據。
對比熱數據，全 SiC 模塊顯示出比傳統硅模塊更低的熱阻。這是由于與 Si 相比，SiC 具有更高的熱傳導率和更好的熱擴散能力：在此布局中，4 個 SiC 二極管芯片在相同的空間上代替 1 個硅二極管。SiC 器件更低的熱阻是特別重要的，因為在這種情況下硅芯片使用了 21 cm2 的總面積，而全 SiC 模塊只用了 10 cm2。與硅模塊的通態損耗相比，全 SiC 模塊的通態損耗更高。SiC 肖特基二極管的正向壓降也是這樣。全 SiC 模塊的動態損耗非常低：SiC MOSFET 的開關損耗比硅 IGBT 低 4 倍，SiC 肖特基二極管的損耗低 8-9 倍。
較低的動態損耗和更好的散熱帶來相當高的功率輸出，如圖 5 所示。
圖 5：1200V，900A 全 SiC 模塊和 1300A IGBT 模塊輸出電流的對比。熱損耗計算基于為風冷散熱器，60°C 的環境溫度。
即使在 4kHz 的低開關頻率下，全 SiC 模塊的優點也是顯而易見的：可用輸出電流可提高 85%。再次，認識到 SiC 并不局限于非常高開關頻率是很重要的。換句話說，與采用傳統硅 IGBT 技術相比，逆變器的模塊部分可小近 2 倍，這是一個優點，特別是在高功率應用中，如風力發電。多年來，風力渦輪機的功率在增加，隨著標準功率約為 2-4MW，風電已裝機容量達 7.5MW。可用于電源逆變器的空間仍然是受限的，減少逆變器的尺寸，不僅解決了空間問題，同時也減少了運輸和安裝成本。
總結
在模塊層面上，SiC 主要有兩個好處：更小的芯片尺寸和更低的動態損耗。在系統層面上，這些優勢可被以多種方式利用。低動態損耗帶來輸出功率的顯著增加，將提供減輕重量和減小體積的機會。值得一提的是，無需額外的冷卻能力就可實現功率的增加。因為與硅器件相比，SiC 帶來實際的損耗減少，可能在相同的冷卻條件下得到更高的輸出功率。低的功率損耗能提高能效，允許設計高效率的逆變器，例如用于太陽能和 UPS 應用。
此外，低動態損耗使得 SiC 器件非常適用于 20kHz 以上的較高開關頻率。利用高開關頻率，可以減少 LC 濾波器的成本和尺寸。根據所使用的芯片面積，在 4kHz 的低開關頻率下也可以展示 SiC 的優點。SiC 的其它優點涉及到增強的散熱和正溫度系數，這對并聯的的 SiC 芯片很重要。所有這一切都使得 SiC 在廣泛的可能應用范圍內成為非常有吸引力的材料。然而，SiC 功率器件的價格仍然較高，造成混合和全 SiC 模塊的價格比傳統的硅解決方案要高得多。這些較高的成本限制了市場準入，SiC 解決方案主要應用于高端應用中。成本評估表明，在許多應用中，為了實現積極的商業案例，SiC 模塊的價格必須高 2-3 倍。
在某些應用中，較高的價格可能是可以承受的，因為像體積小、重量輕、效率高等好處能勝過較高的成本。由于成本遠超過傳統硅解決方案，用 SiC 的總體擁有成本需要仔細考慮。一些優勢并不直接與更高的功率輸出或更高的效率相關。例如，減小風能逆變器的尺寸和重量，不僅節省了風力發電機組的內部空間，同時也減少了運輸和安裝工作。
SiC 提供了大量的好處，迫使電力系統的設計有不同的想法，回顧傳統的設計，并尋找新的方法來充分利用 SiC 技術。在模塊層面，需要針對大量芯片并聯的低電感設計和優化的 DCB 布局，當然還有新的封裝技術，如賽米控針對高可靠性和高運行溫度的燒結技術。賽米控通過深入細致的研究支持 SiC 解決方案，SiC 器件可以采用所有的標準封裝進行組裝。優化的解決方案和拓撲在客戶的密切配合下被評估，這確實是有必要。定制的解決方案是一種具有成本競爭力的方式。
不過，價格問題仍然存在，需要針對電力電子市場中的廣泛突破性的 SiC 器件進行解決。前景是樂觀的：根據市場研究，SiC 肖特基二極管的價格預計下降約 30%，SiC MOSFET 的價格預計在未來幾年下降約 40%，這顯著增加了 SiC 的競爭力。可以預見的是，混合 SiC 和全 SiC 模塊的價格將不但適用于高端應用，而且未來 3 年內也將用于標準解決方案。事實上，SiC 進入電力電子是一個漫長的過程，尋求廣泛的市場準入尚未完成。但種種跡象都積極表明，未來幾年 SiC 將成為用于電力電子應用的一項成熟技術。
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