2021年3月3日,
彼得博士胡说八道!
电力技术商业高压碳化硅器件的前景 - 摘要
SiC功率器件有潜力达到超过30kv的额定电压，但今天，SiC芯片制造商专注于600- 1700v的SiC mosfet和肖特基二极管。在这篇文章中，我将探讨与高电压(HV) SiC器件相关的问题，并尝试回答为什么10kv器件仍然看起来离成为商业现实还有一段距离的问题。
碳化硅（SIC）潜力的证据是当今电力电子产品的下一个大事。快速越来越多的公司实现了快速切换，低电阻肖特基二极管和MOSFET从600 v高达1700 V.在此电压范围内，这些设备对于汽车和太阳能逆变器应用（以及更多除草），这些设备是最佳的，给予电力电子设计师在开发中提供了一个有价值的工具小，轻和有效的解决方案．
但是，SIC的破坏效益在目前可用的非常窄的电压范围内不会开始和结束。有许多应用程序，包括牵引力，工业机器，固态变压器和几个电网级应用，可以从一系列完全优化的SIC电源器件中受益，电压额定值高达10 kV，甚至更高。例如，在HVDC转换的实现中，SiC MOSFET或IGBT可以替换VSC转换器中的SI IGBT，通过使用更少的设备进行电流溶液，或者可能延伸超出目前可实现的电压范围。
SiC的材料特性允许它承受比硅(Si)大9倍的电场(单位长度电压)。这个~9x的比率是一个有用的标准来预测使用现有硅市场的SiC技术的全部潜力。例如，探索市场上可用的器件，你会注意到在额定1200v的SiC mosfet和额定150- 200v的Si mosfet的通阻和额定电流的等价性，正如最近在TechInsights中讨论的年度电力研讨会．因此，随着Si超结MOSFET器件可达900v, Si igbt和晶闸管可达超过6kv的igbt，人们可以预见SiC器件的上限要比今天的MOSFET的1700v高得多。对于单极器件(mosfet和Schottkys)来说，高达10kv的电压是可以实现的，而双极器件(igbt和晶闸管)至少在理论上可以超过30kv。SiC双极的情况本身就是一个有趣的话题(也许将来会有一个话题!)，但目前确实存在一些问题，即目前SiC的载体寿命，以及市场上缺乏P+基板。
图1基因3.3 kV MOSFET模具
实际上，很少少量的技术障碍阻碍了1700 V超过1700V的单极设备（肖特基二极管和MOSFET）的上升。实际上，现在可以购买3.3 kV设备，基因已经释放3.3 kV mosfet(高达35 A如图1所示)和二极管(高达5 A)，而三菱电气将自己的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Mosfets最多15 kV和IGBT和晶闸管额定高达30 kV．
升高SiC MOSFET的一个正面方面是对沟槽门的依赖性降低，以降低导通电阻。这是因为随着MOSFET的电压额定值增加，漂移区域电阻也是如此，这成为总RDS的更大比例。在10 kV时，该漂移区域电阻赋予衬底和通道区域的贡献，这意味着甚至平面装置的总RDS非常接近SiC的单极极限，在给定电压下可实现的最低电阻。
SiC材料的成本随着电压范围的增大而增大，这些成本可以如下估算。根据笔者在2020年可获得的厚外延材料的价格(尽管订单尺寸很小)，开发10 kV SiC MOSFET所需的100µm外延材料SiC衬底的价格超过了10µm、1200 V衬底价格的4倍。由于芯片尺寸差异的因素较大的终端，和成本10kv, 50a芯片将比1200v, 50a芯片贵6倍以上。然而，这并不是什么新鲜事;芯片的成本总是与电压成比例。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，而较高的价格将更容易被这些利基应用空间吸收。
在这位作者的看法中，HV SIC器件产品的开发不受技术障碍的阻碍，也不是其成本。需要解决这些电压的可靠性的一些问题，但每个新设备类都是如此。相反，在我看来，HV器件开发的唯一障碍是600-1700 V市场的尺寸和竞争，电动车辆在此后面的驱动力。相比之下，在牵引力或HVDC中，HV应用的市场大小相比非常小。因此，扩展到该领域将需要这些较大市场的饱和，或者对于更敏捷的公司，如遗传学，继续引领方式。
参考文献
产品名称:GeneSiC G2R120MT33J 3300 V 120 mΩ SiC MOSFET Power Floorplan Analysis（PFR-2102-801）
英飞凌IMW65R107M1HXKSA1 650 V COOLSIC POWER ESSENTS(pef - 2003 - 802)
Rohm SCT3022ALGC11 SiC MOSFET Power Essential(pef - 1905 - 802)
彼得博士胡说八道!，副教授（读者）沃里克大学和PGC SIC咨询的创始人
Peter Gammon博士在SIC电源设备的设计，制造和测试中拥有15年的经验，发表80期刊和会议论文在这个问题上。他是主要研究人员，致力于重大项目的开发10 kV sic igbts， 3.3 kV SiC二极管和辐射硬SiC器件用于卫星应用。这电力电子技术在能源研究中的应用华威大学举办了最先进的SiC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电力电子器件的电气特性和可靠性测试的设施。
