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新型电力电子器件碳化硅器件一个理想的功率半导体器件,应当具有下列理想的静态和动态特性:在阻断状态,能承受高电压;在导通状态,能导通高的电流密度并具有低的导通压降;在开关状态和转换时,具有短的开、关时间,能承受高的di/dt和du/dt,具有低的开关损耗;运行时具有全控功能和良好的温度特性。自20世纪50年代硅晶闸管问世以后,功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器,如牵引变流器,几乎都是基于晶闸管的。到了80年代中期,4.5kV的可关断晶闸管(GTO)得到广泛应用,并成为在接下来的10年内大功率变流器的首选器件,一直到绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的阻断电压达到3.3kV之后,这个局面才得到改变。与此同时,对GTO技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管(IGCT)的问世,它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500Hz,由于开关性能的提高,IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低,因此可以工作在1~3kHz的开关频率下。至2005年,以晶闸管为代表的半控型器件已达到70MW/9000V的水平,全控器件也发展到了非常高的水平。当前,硅基电力电子器件的水平基本上稳定在10-10W·Hz左右,已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限。109由于传统的硅基电力电子器件已经逼近了因寄生二极管制约而能达到的硅材料极限,为突破目前的器件极限,有两大技术发展方向:一是采用各种新的器件结构;二是采用宽能带间隙材料的半导体器件,如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)器件。SiC是IV-IV族二元化合物半导体材料,也是元素周期表中IV族元素中唯一的一种固态碳化物。SiC由碳原子和硅原子组成,但其晶体结构具有同质多型体的特点。在半导体领域最常用的是4H-SiC和6H-SiC两种,SiC与其它半导体材料具有相似的特性,4H-SiC的饱和电子漂移速度是Si的两倍,从而为SiC器件提供了较高的电流密度和较高的跨导。高击穿特性使SiC功率器件和开关器件具有较Si和GaAs器件高3一4倍的击穿电压,高的热导率和耐高温特性保证了SiC器件具有较高的功率密度及高温工作的可靠性。碳化硅性质Johnson优良指数(JFM)表示器件高功率、高频率性能的基本限制KFM表示基于体管开关速度的优良指数质量因子1(QF1)表示电力电子器件中有源器件面积和散热材料的优良指数QF2则表示理想散热器下的优良指数QF3表示对散热器及其几何形态不加任何假设状况下的优良指数Baliga优良指数BHFM表示器件高频应用时的优良指数。•碳化硅功率二极管•碳化硅MOSFET器件•碳化硅IGBT•碳化硅晶闸管碳化硅电力电子器件碳化硅功率二极管碳化硅功率二极管有3种类型:肖特基二极管(SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。在5kV阻断电压以下的范围,碳化硅结势垒肖特基二极管是较好的选择。JBS二极管结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PiN结二极管所拥有的低漏电流的特点。把JBS二极管结构参数和制造工艺稍作调整就可以形成混合PiN-肖特基结二极管(MPS)。由于碳化硅二极管基本工作在单极型状态下,反向恢复电荷量基本为零,可以大幅度地减少二极管反向恢复引起的自身瞬态损耗以及相关的IGBT开通瞬态损耗,非常适用于开关频率较高的电路。PiN结二极管在4~5kV或者以上的电压时具有优势,由于其内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻,使得它比较适用于高电压应用场合。有文献报道阻断电压为14.9和19.5kV的超高压PiN二极管,其正向和反向导通特性如图2所示,在电流密度为100A/cm2时,其正向压降分别仅为4.4和6.5V。这种高压的PiN二极管在电力系统,特别是高压直流输电领域具有潜在的应用价值。碳化硅MOSFET器件功率MOSFET具有理想的栅极绝缘特性、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性,在硅基器件中,功率MOSFET获得巨大成功。同样,碳化硅MOSFE也是最受瞩目的碳化硅功率开关器件,其最明显的优点是,驱动电路非常简单及与现有的功率器件(硅功率MOSFET和IGBT)驱动电路的兼容性。碳化硅功率MOSFET面临的两个主要挑战是栅氧层的长期可靠性问题和沟道电阻问题。随着碳化硅MOSFET技术的进步,高性能的碳化硅MOSFET也被研发出来,已有研究结果报道了具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件。三菱公司报道的1.2kV碳化硅MOSFET器件的导通比电阻为5mΩ·cm2,比硅基的CoolMOS的性能指数好15~20倍。美国Cree公司报道了8.1mm*8.1mm、阻断电压10kV、电流20A的碳化硅MOSFET芯片,其正向阻断特性如图3所示。通过并联这样的芯片得到的模块可以具备100A的电流传输能力。该器件在20V的栅压下的通态比电阻为127mΩ·cm2,同时具有较好的高温特性,在200℃条件下,零栅压时可以实现阻断10kV电压。在碳化硅MOSFET的可靠性研究方面,有研究报道了在350℃下碳化硅栅氧层具有良好的可靠性。碳化硅IGBT在碳化硅MOSFET器件中,其通态电阻随着阻断电压的上升而迅速增加。在高压领域,碳化硅IGBT器件将具有明显的优势。由于受到工艺技术的制约,碳化硅IGBT的起步较晚,高压碳化硅IGBT面临两个挑战:第一个挑战与碳化硅MOSFET器件相同,沟道缺陷导致的可靠性以及低电子迁移率问题;第二个挑战是N型IGBT需要P型衬底,而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻率高50倍。因此,1999年制成的第一个IGBT采用了P型衬底。经过多年的研发,逐步克服了P型衬底的电阻问题,2008年报道了13kV的N沟道碳化硅IGBT器件,比导通电阻达到22mΩ·cm2。图5对15kV的N-IGBT和MOSFET的正向导通能力做了一个比较,结果显示,在结温为300K时,在芯片功耗密度为200W/cm2以下的条件下,MOSFET可以获得更大的电流密度,而在更高的功耗密度条件下,IGBT可以获得更大的电流密度。但是在结温为127℃时,IGBT在功耗密度为导通比MOSFET更高的电流密度。同一年,该团队还报道了阻断电压达到12kV的P沟道碳化硅IGBT,导通比电阻达到14mΩ·cm2。新型高温高压碳化硅IGBT器件将对大功率应用,特别是电力系统的应用产生重大的影响。在15kV以上的应用领域,碳化硅IGBT综合了功耗低和开关速度快的特点,相对于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势,特别适用于高压电力系统应用领域。碳化硅晶闸管在大功率的工频开关应用中,比如高压直流输电(HVDC)、动态无功功率补偿、超大电流电解等,晶闸管以其耐压高、通态压降小、通态功耗低而具有较大优势。对碳化硅晶闸管的研究主要集中在GTO上。碳化硅门级换流晶闸管(SiCGT)的研发也受到特别的关注。2006年有研究报道了面积为8mm*8mm的SiCGT芯片,其导通峰值电流高达200A。2010年报道了单芯片脉冲电流达到2000A的SiCGT器件,如图6所示。在电力系统中的应用较之传统的电力系统控制设备而言,现代电力电子装置具有一系列特点:变流、变频和调相能力;快速的响应性能(数ms);利用极小的功率控制极大功率;可实现高精度控制(对于50~60Hz系统,器件触发相位可精确到0.1°);变流器体积小、重量轻等。因此近年来电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用都得到了广泛的应用,但是与其它应用领域相比,电力系统要求电力电子装置具有更高的电压,更大的功率容量和更高的可靠性。由于在电压、功率耐量方面的限制,上述这些硅基大功率器件不得不采用器件串、并联技术和复杂的电路拓扑来达到实际应用的要求,导致装置的故障率和成本大大增加,制约了现代电力电子技术在现代电力系统中的应用。作为一种新型的宽禁带半导体材料,碳化硅因其出色的物理及电特性,正越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于500℃)特性,突破了硅基功率半导体器件电压(数kV)和温度(小于150℃)限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步,各种碳化硅功率器件被研发出来,由于受成本、产量以及可靠性的影响,碳化硅功率器件率先在低压领域实现了产业化,目前的商业产品电压等级在600~1700V。随着技术的进步,高压碳化硅器件已经问世,并持续在替代传统硅器件的道路上取得进步。随着高压碳化硅功率器件的发展,已经研发出了19.5kV的碳化硅二极管,3.1kV和4.5kV的门极可关断晶闸管(GTO),10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等。它们的研发成功以及未来可能的产业化,将在电力系统中的高压领域开辟全新的应用,对电力系统的变革产生深远的影响。•固态变压器•柔性交流输电•静止无功补偿•高压直流输电固态变压器随着分布式发电系统、智能电网技术以及可再生能源的发展,固态变压器作为其中的关键技术受到广泛关注。固态变压器技术被MITTechnologyReview选为2011年的TopTenEmergingTechnology。固态变压器是一种以电力电子技术为核心的变电装置,它通过电力电子变流器和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递及控制,以取代电力系统中的传统的工频变压器。与传统电力变压器相比,具有体积小、重量轻等优点,同时具有传统变压器所不具备的诸多优点,包括供电质量高、功率因数高、自动限流、具备无功补偿能力、频率变换、输出相数变换以及便于自动监控等优点。将固态变压器应用到电力系统后,将会给电力系统带来许多新的特点,有助于解决电力系统中所面临的许多问题。固态变压器的输入侧电压等级非常高,一般在数千至数万伏,目前多采用拓扑或器件串联的方式,结构较为复杂。图7所示为10kVA的固态变压器示意图。目前在世界上对固态变压器的研究主要包括:欧盟的UNIFLEX-PM(未来电网通用灵活电能管理先进功率变流器)项目,每相采用4个H桥串联来承受1.9kV电压;美国FREEDM(未来可再生能源利用和分配管理中心)的第一代固态变压器采用6.5kV的HV-IGBT,每相3个H桥串联来承受7.2kV电压;第二代固态变压器将基于15kV的碳化硅MOSFET,不再使用器件或拓扑串联,开关频率有望从原来的1kHz提升到20kHz。新兴的碳化硅电力电子器件,特别是15kV以上碳化硅MOSFET、IGBT的出现,将有利于固态变压器的结构简化及可靠性提升。柔性交流输电系统电力电子技术应用的发展,促成了近年来交流电网中的一个前沿领域——柔性交流输电系统(FACTS)的诞生。FACTS是指电力电子技术与现代控制技术结合,以实现对交流输电系统电压、相位角、品质、功率潮流的连续调节控制,从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平,降低输电损耗。FACTS技术中的核心是各种以电力电子技术或者其他静止设备为基础的FACTS控制器,对AC输电系统的一个或者多个参数进行有效控制,使得原先基本不可控的输电网变得可以全面控制,以达到电力系统安全、可靠和经济运行。FACTS技术及其控制器是随着电力电子技术及其功率器件的发展而发展的。由于输电网高压、大功率的特性,FACTS技术主要采用晶闸管、GTO、IGBT等器件,随着IGCT器件的发展,可以用IGCT器件代替GTO器件实现新型的电压源变流器,不仅实现更高的耐压,而且可以切换4~5kA的电流。由于硅器件自身物理限制,在更高电压等级或者功率等级的FACTS控制器的应用,仍然受到制约。碳化硅功率器件固有的高耐压特性,随着其器件水平的不断发展,在FACTS技术中必然越来越受到重视。静止无功补偿器静态同步补偿器(STATCOM)是一种重要的柔性交流输电系统控制器,用于潮流控制、无功补偿和提高系统稳定性,具有体积小、响应速度快以及连续可调等优点。基于二电平电压源逆变器(VSC)的STATCOM尽管结构简单,但需要高压大功率的电力电子器件,目前的硅器件尚不能满足这种高压
本文标题:新型电力电子器件―碳化硅
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