在性能上的增長(zhǎng)，純硅功率晶體管有著令人羨慕的成績(jī)，然而，對(duì)于高要求的功率開(kāi)關(guān)和控制的應(yīng)用上，它似乎已經(jīng)到達(dá)了它的極限。
碳化硅（SiC），作為一種新型半導(dǎo)體材料，具有潛在的優(yōu)點(diǎn)：更小的體積、更有效率、完全去除開(kāi)關(guān)損耗、低漏極電流、比標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體（純硅半導(dǎo)體）更高的開(kāi)關(guān)頻率以及在標(biāo)準(zhǔn)的125℃結(jié)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(jī)的外殼內(nèi)。
任何一種新技術(shù)都會(huì)經(jīng)歷由發(fā)展到成熟的過(guò)程，SiC也不例外。標(biāo)準(zhǔn)功率開(kāi)關(guān)，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），有很大的產(chǎn)品基礎(chǔ)和優(yōu)化的生產(chǎn)技術(shù)。而SiC卻需要投入大量經(jīng)費(fèi)和研發(fā)資金來(lái)解決材料問(wèn)題和完善半導(dǎo)體制造技術(shù)。然而這種功率開(kāi)關(guān)器件，能夠在正向?qū)ù箅娏骱头聪蚪刂骨Х妷褐g快速執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，這樣的性能是值得一試的。
SiC最初的成功應(yīng)用和主要應(yīng)用發(fā)光二極管，用于汽車頭燈和儀表盤其他照明場(chǎng)合。其他的市場(chǎng)包括開(kāi)關(guān)電源和肖特基勢(shì)壘二極管。將來(lái)會(huì)應(yīng)用到包括混合動(dòng)力車輛、功率轉(zhuǎn)換器（用于減小有源前置濾波器的體積）和交流/直流電機(jī)控制上。這些更高要求的應(yīng)用還沒(méi)有商業(yè)化，因?yàn)樗鼈冃枰哔|(zhì)量的材料和大規(guī)模的生產(chǎn)力來(lái)降低成本。在全世界范圍內(nèi)，大量的研究經(jīng)費(fèi)投入到了公司、實(shí)驗(yàn)室和政府設(shè)施，以使SiC技術(shù)更加可行。一些專家預(yù)言，SiC技術(shù)的商業(yè)化、工業(yè)化甚至軍工應(yīng)用將在2到5年或者更遠(yuǎn)的時(shí)間內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)。
圖1：APEI Inc.的這個(gè)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(jī)控制生產(chǎn)商對(duì)于SiC的發(fā)展特別有興趣，有些甚至與研究人員和半導(dǎo)體生產(chǎn)商進(jìn)行合作來(lái)促進(jìn)SiC的發(fā)展。但是他們大多數(shù)都對(duì)這種協(xié)作關(guān)系閉口不談。
SiC技術(shù)的促進(jìn)者
Rockwell Automation公司標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)部門的顧問(wèn)工程師Gary Skibinski博士說(shuō)：“Rockwell Automation看到了這個(gè)新技術(shù)的潛在優(yōu)點(diǎn)并認(rèn)為自己是SiC技術(shù)的促進(jìn)者。Rockwell公司也確定了SiC技術(shù)會(huì)如何融入其將來(lái)的商業(yè)計(jì)劃。對(duì)于一個(gè)領(lǐng)先的公司，理解并接納新興技術(shù)是至關(guān)重要的。”
發(fā)展正在逐步進(jìn)行。Skibinski舉例道，在驅(qū)動(dòng)模塊的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IGBT上附加一個(gè)SiC功率二極管，作用如同變極飛輪二極管，作為提高生產(chǎn)力邏輯上的第一步；這種改變其次將會(huì)應(yīng)用于功率開(kāi)關(guān)上。他說(shuō)：“純SiC驅(qū)動(dòng)仍處于研發(fā)和原型論證階段。”
相對(duì)于純SiC模型（Si IGBT+反平行二極管開(kāi)關(guān)）的進(jìn)展，在近期對(duì)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(jìn)展。此模型總的功率損耗為Eon+Err+Eoff（見(jiàn)圖2）。對(duì)于Si或者SiC二極管，不管Rgate值如何變化，Eoff的值都不會(huì)變化，但是當(dāng)使用SiC二極管時(shí)，其他的兩個(gè)功率損耗分量會(huì)因Rgate值的變化而發(fā)生變化。對(duì)于任何Rgate值，二極管反向恢復(fù)損耗Err實(shí)際上已經(jīng)幾乎減小到0（94%）。當(dāng)Rgate=25Ω時(shí)GBT的Eon減小了37%，當(dāng)Rgate=8絞保琁GBT的Eon減小了85%。
圖2：Rockwell Automation 近期的調(diào)查顯示，相對(duì)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(gè)單位3.3mJ。
研究的結(jié)果證明了更高開(kāi)關(guān)頻率的可能性，在以前，更高的開(kāi)關(guān)頻率一直受限于純硅二極管的反向恢復(fù)損耗。Err限制了在減小開(kāi)啟損耗上的進(jìn)一步發(fā)展。Skibinski解釋道：“硅模塊的供應(yīng)商推薦使用一個(gè)門電阻Rgate (例如25 Ω，來(lái)平衡IGBT的開(kāi)啟能量損耗(Eon) 關(guān)斷能量損耗(Eoff)。”然而對(duì)于SiC二極管，門電阻Rgate就可以省去不用了。
他說(shuō)：“SiC二極管能夠降低總功率損耗(Eon+Err+Eoff)，這一特性仔驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用有著潛在優(yōu)點(diǎn)。”首先，在使用同樣的制冷系統(tǒng)的條件下，它可以達(dá)到4倍的開(kāi)關(guān)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(jià)格。或者，你也可以保留現(xiàn)在的開(kāi)關(guān)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(fèi)。
Yaskawa Electric是另一個(gè)采用SiC技術(shù)的驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)商，他把SiC技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)屏幕上。Yaskawa Electric總結(jié)SiC的基本的優(yōu)點(diǎn)有：高工作溫度、高開(kāi)關(guān)速度、在導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)模式下都具有更低的損耗，這些是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加有效率。
日本小倉(cāng)Yaskawa Electric公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的IEEE的特殊會(huì)員Tsuneo J. Kume博士在Control Engineering中說(shuō)道：“這種低損耗的特性，加上高工作結(jié)溫，是碳化硅器件和制冷系統(tǒng)具有更小的體積，進(jìn)而導(dǎo)致具有更高功率密度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成為可能。而且，高頻開(kāi)關(guān)性能極大地改進(jìn)了控制系統(tǒng)的響應(yīng)和帶寬。”Yaskawa公司正在與先進(jìn)的半導(dǎo)體生產(chǎn)商密切合作，例如Mitsubishi Semiconductors公司，只要技術(shù)成熟，將會(huì)推出具有先進(jìn)技術(shù)的SiC器件。據(jù)Kume說(shuō)，這種技術(shù)正在為實(shí)際應(yīng)用和質(zhì)量作進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，使用這種新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，暫時(shí)還沒(méi)有開(kāi)始開(kāi)發(fā)。
敏捷的，創(chuàng)新的
一些小型的，具有創(chuàng)新精神的公司往往會(huì)對(duì)先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)生促進(jìn)作用。在SiC領(lǐng)域內(nèi)，一個(gè)這樣的例子是Arkansas Power Electronics International Inc。APEI專攻對(duì)于使用SiC器件作為核心技術(shù)的高性能功率電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。APEI公司的總裁Alexander B. Lostetter博士說(shuō)：“APEI公司特別關(guān)注那些用于極端環(huán)境（溫度高于500℃或更高）和/或具有很高
功率密度的應(yīng)用場(chǎng)合的技術(shù)。”
圖3：TranSiC的雙極型碳化硅功率晶體管BitSiC1206，
是一個(gè)已經(jīng)和用戶見(jiàn)面的6-A原型。30-A原型的期間計(jì)劃于2007年底面世。
APEI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)、制造并測(cè)試了基于SiC技術(shù)的直流和交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單相合三相換流器（額定功率為3kW和5kW）、直流到直流轉(zhuǎn)換器。Lostetter介紹公司其他方面的研究進(jìn)展包括：高溫封裝技術(shù)，此技術(shù)使單一器件可以工作于500或500以上的環(huán)境。還有基于SiC技術(shù)的模擬/數(shù)字低壓電路控制，借此可以將電路集成到工作于300℃以上的功率控制系統(tǒng)中。同樣在開(kāi)發(fā)中的還有可以工作于500℃溫度下的基于離散SiC結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET（junction field-effect transistor）的運(yùn)算放大器。Lostetter說(shuō)：“高結(jié)溫減小了電子產(chǎn)品的熱處理系統(tǒng)的體積，并使其可以工作與高功率密度下。”
SiC專家Swedish于2005年建立了另外一家活躍于SiC功率晶體管開(kāi)發(fā)的小公司——TranSiC AB，它是從斯德哥爾摩的Royal Institute of Technology (KTH)公司分離出來(lái)的。最近TranSiC AB成功地完成了他的具有標(biāo)準(zhǔn)TO247封裝的雙極型晶體管的原型論證。第一個(gè)模型BitSiC1206是一個(gè)1200V、6A的器件。
TranSiC公司的CEO BoHammarlund，提到芯片的封裝很成功，打開(kāi)和關(guān)斷的開(kāi)關(guān)性能相比于同類產(chǎn)品也很優(yōu)秀。公司從各種各樣的貨源購(gòu)買SiC晶片和外部材料，但是關(guān)鍵的芯片處理全部完成與KTH的實(shí)驗(yàn)室中。
Hammarlund解釋道，BitSiC的工業(yè)封裝是由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的外包公司完成的，但是當(dāng)客戶是飛行員時(shí)，TranSiC公司可以提供短周期的快速封裝，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用場(chǎng)合下，封裝的價(jià)格和開(kāi)發(fā)速度是有關(guān)的。
TranSiC希望兩年之內(nèi)能夠使BitSiC產(chǎn)品成熟起來(lái)并使其具有成本效益。時(shí)下，每片這種芯片是十分昂貴的。Hammarlund解釋道：“我們會(huì)采用每一項(xiàng)成本降低措施，我們希望在之后的2年內(nèi)，每六個(gè)月成本會(huì)降低30%。”
下一個(gè)目標(biāo)是在2006年底使BitSiC具有廣大的客戶群，并在TranSiC的網(wǎng)站上提供給書說(shuō)明書。Hammarlund告訴Control Engineering“我們的目標(biāo)是在2007年底完成30A的器件原型，加上可以承受225℃結(jié)溫的封裝原型。”更高電流的期間公司的長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)路線。 不同的觀點(diǎn)
并不是每一個(gè)人都同意碳化硅功率控制的前景。ABB公司是高功率半導(dǎo)體的專家，但是在2002年，瑞典的聯(lián)合開(kāi)發(fā)中心，他終止了SiC開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。公司半導(dǎo)體研發(fā)部對(duì)于此舉措的一個(gè)解釋是由Basel平面斷層導(dǎo)致的雙極導(dǎo)通衰減效應(yīng)。這反映了一種單純基于高電壓/高功率器件和應(yīng)用的前景。
ABB Switzerland Semiconductors研發(fā)部的總工程師Munaf Rahimo博士說(shuō)：“碳化硅短期上適合低電壓?jiǎn)螛O型二極管，它也有潛力用于離散高頻場(chǎng)合中的低功率雙極晶體管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。然而，由于SiC和Si材料間更高的PN結(jié)柵高，雙極性二極管僅對(duì)于額定電壓高于4.5kV的器件的傳導(dǎo)損耗方面能起到些左用。另一方面，SiC雙極型晶體管并沒(méi)有被這個(gè)缺點(diǎn)所阻礙，從長(zhǎng)遠(yuǎn)上看，它在高壓應(yīng)用領(lǐng)域還是比其他種類的開(kāi)關(guān)值得關(guān)注的。”
對(duì)于SiC技術(shù)的快速開(kāi)關(guān)能力，ABB Semiconductors確認(rèn)說(shuō)，這種高頻工作能力僅在低雜散電感的環(huán)境中才適用，例如低功率/低壓系統(tǒng)中。Rahimo說(shuō)：“在高功率系統(tǒng)中，雜散電感很大，要求半導(dǎo)體緩慢地執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。對(duì)于SiC器件，這就意味著讓它慢慢地開(kāi)關(guān)，以適應(yīng)緩沖器的要求，這會(huì)重新引入損耗，而這些損耗原本就是我們?cè)噲D采用昂貴的SiC器件來(lái)消除的。”
另外，Rahimo說(shuō)，現(xiàn)在底層材料的價(jià)格是普通材料的100倍（對(duì)于3英寸的SiC晶片），將來(lái)或許會(huì)降至10倍。雖然SiC晶片的質(zhì)量有所提升，器件生產(chǎn)商可以適用更小的模具，（5mm2片）同時(shí)保證產(chǎn)量，但是更大尺寸的模具（例如25mm2片的50A二極管）的產(chǎn)量就很低了。相對(duì)于晶片直徑6英寸和12英寸的單片集成電路二極管器件，4英寸的SiC晶片，質(zhì)量仍舊很差。他補(bǔ)充道：“Si晶片的生產(chǎn)次品率很低，領(lǐng)先SiC功率器件5到10年。”對(duì)于高功率SiC器件的時(shí)間線可能更長(zhǎng)。
其他的開(kāi)發(fā)人員也意識(shí)到了SiC的缺點(diǎn)，但是仍在繼續(xù)開(kāi)發(fā)。 期望的突破
對(duì)于APEI Inc.的應(yīng)用，用來(lái)刺激SiC技術(shù)的突破落在器件和封裝上
。Lostetter說(shuō)：“在器件層面上，晶片產(chǎn)量是主要關(guān)心的，低產(chǎn)量意味著這種器件商品化的步伐會(huì)很慢。”APEI據(jù)稱和許多國(guó)際生產(chǎn)商合作，以圖獲得器件的高產(chǎn)量，且處于研發(fā)階段。但是如果器件不能商品化，使用這些器件的系統(tǒng)也就不能商品化。
公司提及的其他要點(diǎn)包括，對(duì)于不會(huì)降低功率密度性能的壓控常閉器件的需要，以及可以經(jīng)受住長(zhǎng)期可靠性和高溫環(huán)境的半導(dǎo)體鍍金工藝。時(shí)下很多器件都是常開(kāi)或者電流控制的。
Lostetter解釋道，使用常開(kāi)器件來(lái)開(kāi)發(fā)功率系統(tǒng)需要十分小心，特別需要小心的是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)災(zāi)難性事故時(shí)候的保護(hù)，例如防止所有功率器件同時(shí)打開(kāi)，直接將電源接地。
圖4：由APEI Inc.開(kāi)發(fā)的用于NASA的金星登陸機(jī)器人的全SiC材料的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以應(yīng)用于500℃以上的溫度中。
在材料層面上，APEI看到了對(duì)強(qiáng)模具材料的需求，在功率層上它必須長(zhǎng)期可靠、防止擴(kuò)散、耐腐蝕，機(jī)械上可靠的功率層，可以應(yīng)付極端溫度波動(dòng)不會(huì)因?yàn)闊釘U(kuò)張和應(yīng)力破裂而產(chǎn)生損壞。
一些原型產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，而一些SiC驅(qū)動(dòng)工程仍有很長(zhǎng)的戰(zhàn)線。APEI提及他在于美國(guó)政府客戶合作中的令人激動(dòng)的發(fā)展。高功率密度三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)正在應(yīng)用于美國(guó)軍隊(duì)的未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）項(xiàng)目。此系統(tǒng)連接全電子或混合電子戰(zhàn)斗車輛，目標(biāo)與2020年完成。Lostetter說(shuō)：“當(dāng)APEI論證了3-5kW SiC電機(jī)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，實(shí)際的需求可能已經(jīng)倒100-1000kW了，我們相信這些目標(biāo)的論證會(huì)在2-3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而商業(yè)化會(huì)在之后的3-5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。”
APEI公司一個(gè)更有野心的項(xiàng)目是為美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局NASA的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的金星探索者號(hào)（VISE）開(kāi)發(fā)的極端環(huán)境用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這個(gè)計(jì)劃仍處于設(shè)計(jì)階段，目標(biāo)是把探索機(jī)器人投放到金星表面。VISE類似成功的火星探索機(jī)器人，但是金星的環(huán)境更加嚴(yán)酷：表面溫度超過(guò)485℃，壓力超過(guò)90個(gè)大氣壓，大氣層硫酸濃度很高。 NASA的時(shí)間表
Lostetter說(shuō)：“APEI Inc.的基于SiC技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以允許機(jī)器人完成牽引、負(fù)重等功能，而且使用齒輪傳動(dòng)，而不需要昂貴且很重的電子防護(hù)和熱處理系統(tǒng)，而在以前，這些都是必須的。而且基于硅的系統(tǒng)在冷卻液用盡之后的很短時(shí)間里就會(huì)出問(wèn)題。”APEI估計(jì)全SiC材料的電機(jī)驅(qū)動(dòng)會(huì)在2010年完成，這滿足NASA將在2013年啟動(dòng)VISE項(xiàng)目的時(shí)間安排。
同時(shí)，TransSiC的Hammarlund對(duì)于SiC材料難點(diǎn)的去除很有信心，他總結(jié)道“到時(shí)，我們的產(chǎn)量會(huì)很大，而且可以提供50A的芯片。”
功率控制碳化硅的現(xiàn)狀類似“Catch 22”的情況。當(dāng)可靠的SiC器件大量可用且價(jià)格低廉的時(shí)候，用戶和相應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合自然會(huì)出現(xiàn)，從另一方面講，當(dāng)有足夠的用戶需求的時(shí)候，SiC才能商業(yè)化。
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