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(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)都會經(jīng)歷由發(fā)展到成熟的過程，SiC也不例外。標(biāo)準(zhǔn)功率開關(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)資金來解決材料問題和完善半導(dǎo)體制造技術(shù)。然而這種功率開關(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)行開關(guān)動作，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合。其他的市場包括開關(guān)電源和肖特基勢壘二極管。將來會應(yīng)用到包括混合動力車輛、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)的時間內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)。 [align=center] 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。[/align] 電機(jī)控制生產(chǎn)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(dǎo)體生產(chǎn)商進(jìn)行合作來促進(jìn)SiC的發(fā)展。但是他們大多數(shù)都對這種協(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)動部門的顧問工程師Gary Skibinski博士說：“Rockwell Automation看到了這個新技術(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)會如何融入其將來的商業(yè)計劃。對于一個領(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)動模塊的每個標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)力邏輯上的第一步；這種改變其次將會應(yīng)用于功率開關(guān)上。他說：“純SiC驅(qū)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(guān)）的進(jìn)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(jìn)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(dāng)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(fù)損耗Err實(shí)際上已經(jīng)幾乎減小到0（94%）。當(dāng)Rgate=25Ω時GBT的Eon減小了37%，當(dāng)Rgate=8絞?，IGBT的Eon減小了85%。 [align=center] 圖2：Rockwell Automation 近期的調(diào)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。[/align] 研究的結(jié)果證明了更高開關(guān)頻率的可能性，在以前，更高的開關(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)商推薦使用一個門電阻Rgate （例如25 Ω，來平衡IGBT的開啟能量損耗（Eon） 關(guān)斷能量損耗（Eoff）?！比欢鴮τ赟iC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(qū)動上的應(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格。或者，你也可以保留現(xiàn)在的開關(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是另一個采用SiC技術(shù)的驅(qū)動生產(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、高開關(guān)速度、在導(dǎo)通和開關(guān)模式下都具有更低的損耗，這些是驅(qū)動系統(tǒng)更加有效率。 　　 日本小倉Yaskawa Electric公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)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(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)動系統(tǒng)的成為可能。而且，高頻開關(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，將會推出具有先進(jìn)技術(shù)的SiC器件。據(jù)Kume說，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)動產(chǎn)品，暫時還沒有開始開發(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對先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)生促進(jìn)作用。在SiC領(lǐng)域內(nèi)，一個這樣的例子是Arkansas Power Electronics International Inc。APEI專攻對于使用SiC器件作為核心技術(shù)的高性能功率電子系統(tǒng)的開發(fā)。APEI公司的總裁Alexander B. Lostetter博士說：“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)用場合的技術(shù)。” [align=center] 圖3：TranSiC的雙極型碳化硅功率晶體管BitSiC1206，是一個已經(jīng)和 用戶見面的6-A原型。30-A原型的期間計劃于2007年底面世。[/align] APEI公司已經(jīng)開發(fā)、制造并測試了基于SiC技術(shù)的直流和交流電機(jī)驅(qū)動、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)型場效應(yīng)晶體管JFET（junction field-effect transistor）的運(yùn)算放大器。Lostetter說：“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。第一個模型BitSiC1206是一個1200V、6A的器件。 　　 TranSiC公司的CEO BoHammarlund，提到芯片的封裝很成功，打開和關(guān)斷的開關(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，TranSiC公司可以提供短周期的快速封裝，因?yàn)樵谶@種應(yīng)用場合下，封裝的價格和開發(fā)速度是有關(guān)的。 　　 TranSiC希望兩年之內(nèi)能夠使BitSiC產(chǎn)品成熟起來并使其具有成本效益。時下，每片這種芯片是十分昂貴的。Hammarlund解釋道：“我們會采用每一項(xiàng)成本降低措施，我們希望在之后的2年內(nèi)，每六個月成本會降低30%?！? 　　 下一個目標(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期開發(fā)路線。 不同的觀點(diǎn) 　　 并不是每一個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)合開發(fā)中心，他終止了SiC開發(fā)項(xiàng)目。公司半導(dǎo)體研發(fā)部對于此舉措的一個解釋是由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：“碳化硅短期上適合低電壓單極型二極管，它也有潛力用于離散高頻場合中的低功率雙極晶體管和結(jié)型場效應(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雙極型晶體管并沒有被這個缺點(diǎn)所阻礙，從長遠(yuǎn)上看，它在高壓應(yīng)用領(lǐng)域還是比其他種類的開關(guān)值得關(guān)注的?！? 　　 對于SiC技術(shù)的快速開關(guān)能力，ABB Semiconductors確認(rèn)說，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：“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)行開關(guān)動作。對于SiC器件，這就意味著讓它慢慢地開關(guān)，以適應(yīng)緩沖器的要求，這會重新引入損耗，而這些損耗原本就是我們試圖采用昂貴的SiC器件來消除的。” 　　 另外，Rahimo說，現(xiàn)在底層材料的價格是普通材料的100倍（對于3英寸的SiC晶片），將來或許會降至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?！睂τ诟吖β蔛iC器件的時間線可能更長。 　　 其他的開發(fā)人員也意識到了SiC的缺點(diǎn)，但是仍在繼續(xù)開發(fā)。 期望的突破 　　 對于APEI Inc.的應(yīng)用，用來刺激SiC技術(shù)的突破落在器件和封裝上。Lostetter說：“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很慢。”APEI據(jù)稱和許多國際生產(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，對于不會降低功率密度性能的壓控常閉器件的需要，以及可以經(jīng)受住長期可靠性和高溫環(huán)境的半導(dǎo)體鍍金工藝。時下很多器件都是常開或者電流控制的。 　　 Lostetter解釋道，使用常開器件來開發(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)難性事故時候的保護(hù)，例如防止所有功率器件同時打開，直接將電源接地。 [align=center] 圖4：由APEI Inc.開發(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，可以應(yīng)用于500℃以上的溫度中。[/align] 在材料層面上，APEI看到了對強(qiáng)模具材料的需求，在功率層上它必須長期可靠、防止擴(kuò)散、耐腐蝕，機(jī)械上可靠的功率層，可以應(yīng)付極端溫度波動不會因?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)動工程仍有很長的戰(zhàn)線。APEI提及他在于美國政府客戶合作中的令人激動的發(fā)展。高功率密度三相電機(jī)驅(qū)動正在應(yīng)用于美國軍隊(duì)的未來戰(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：“當(dāng)APEI論證了3-5kW SiC電機(jī)驅(qū)動的時候，實(shí)際的需求可能已經(jīng)倒100-1000kW了，我們相信這些目標(biāo)的論證會在2-3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而商業(yè)化會在之后的3-5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)?！? 　　 APEI公司一個更有野心的項(xiàng)目是為美國國家航空和宇宙航行局NASA的噴氣動力實(shí)驗(yàn)室的金星探索者號（VISE）開發(fā)的極端環(huán)境用直流電機(jī)驅(qū)動。這個計劃仍處于設(shè)計階段，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485℃，壓力超過90個大氣壓，大氣層硫酸濃度很高。 NASA的時間表 　　 Lostetter說：“APEI Inc.的基于SiC技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動可以允許機(jī)器人完成牽引、負(fù)重等功能，而且使用齒輪傳動，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間里就會出問題?！盇PEI估計全SiC材料的電機(jī)驅(qū)動會在2010年完成，這滿足NASA將在2013年啟動VISE項(xiàng)目的時間安排。 　　 同時，TransSiC的Hammarlund對于SiC材料難點(diǎn)的去除很有信心，他總結(jié)道“到時，我們的產(chǎn)量會很大，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器件大量可用且價格低廉的時候，用戶和相應(yīng)的應(yīng)用場合自然會出現(xiàn)，從另一方面講，當(dāng)有足夠的用戶需求的時候，SiC才能商業(yè)化。