基于碳化硅的功率二极管技术的特点及应用分析
由于能源成本上升和人们积极应对全球变暖，电力电子设备的能源效率已经变得越来越重要。为了提升电力电子设备的能源效率，具有较低功率损耗的功率半导体器件技术是关键所在。在半导体器件中，功率损耗的降低可以改善系统效率，并带来直接的能源节省。降低的低功率损耗同样是有益的，可以减小系统体积，并增加像在混合动力及电动汽车领域的市场渗透。
随着开关电源和太阳能dc/ac转换应用逆变器市场不断增长，碳化硅（silicon carbide，sic）功率二极管得到了广泛应用。sic二极管技术的主要优势是快速开关且无反向恢复。当与超级结fet等快速开关器件一起使用时，sic二极管能够实现更高的开关频率，减少无源元件并降低总体系统成本。sic二极管技术已在现场应用中被证明是可靠的，采用工业晶圆，使得外延和半导体制造工艺用于sic成为可能。后面重要的一步就是将向市场推出sic功率开关管。
sic功率开关管与sic二极管一起使用，可以进一步减小开关功率损耗，相比si超级结fet或igbt，具有显著降低的通态（on-state）功率损耗。基于sic功率器件系统的一个优点就是，可以工作在更高的结温，采用合适的封装技术，器件的工作温度甚至可以达到250℃。
在sic功率开关管中，三种相互竞争的技术mosfet、jfet和双极性晶体管（bipolar junction transistor，bjt）均可提供样品或完全上市的成品。飞兆半导体已经开发了额定电压为1200 v的bjt器件，与硅功率双极性晶体管截然不同。它具有很高（接近于100）的电流增益，且在大集电极电流下无衰减；开关速度象单极器件一样快，并且非常稳健，没有二次击穿问题。
图1显示了飞兆半导体sic bjt有源区的横截面原理图，该器件是一种垂直外延npn晶体管，集电极在晶圆的背面。基极-发射极和基极-集电极结可通过干法刻蚀来形成，在有源区内有许多窄发射极梳状条，由基极-集电极结环绕着。p型离子注入用于形成低电阻基极欧姆接触和高压阻挡结终端。蚀刻和曝光的表面被钝化，在厚绝缘氧化层沉积后进行厚铝垫（al pad） 沉积，用于形成发射极和基极。在sic bjt芯片的背面进行金属化，可兼容标准的贴片技术，正面有厚al层适合厚al引线粘接。sic bjt备有两种封装：标准to-247和专用高温金属to-258封装。这些封装提供两种不同的芯片尺寸，分别用于15a和50a额定电流。
图1 bjt有源区和结端横截面原理图
图2显示了采用to-247封装的1200v sic bjt在室温下的ic-vce特性曲线。sic bjt具有良好的传输特性，并具有确定的导通电阻，类似于功率mosfet。图3显示了电流增益、vcesat 和vbesat与集电极电流的特性曲线。电流增益随集电极电流而增加，并在15a的额定电流下，达到略高于100的稳定水平。在高集电极电流下，电流增益无衰减，因为sic中的掺杂浓度高于si功率bjt。因此，在额定电流下高量注入不会发生。
图2 室温下额定15 a的1200 v sic bjt 的ic-vce特征曲线
图3显示了vcesat 随集电极电流呈线性增加，且在额定电流ic=15a时，其值为0.75 v。对于具有4.68 mm2有源区（active area）的15a sic bjt芯片，相应的特征导通电阻（specific on-resistance）仅为2.3 mωcm2。就我们所掌握的知识，对于任何1200 v额定功率器件，这是最小的特征导通电阻。在vceo=1200 v时的关断状态（open-base）下，15a sic bjt的漏电流小于10μa，并且击穿电压的典型值是1500v。
图3 额定电流15 a的1200 v sic bjt的电流增益、vcesat和vbesat
图4显示了15a 1200v sic bjt在ic=12 a和800 v及150℃下的开关测量值，其结果是vce上升和下降时间在10ns-30ns范围内。即便在150℃下，关断性能也无拖尾电流，因为sic bjt的存储电荷非常少，可以推动sic bjt进入深度饱和，而无开关损耗。在通态（on-state）期间，sic bjt的快速开关是由于基区和集电区中存储的自由载流子电荷较少，所以可以忽略对开关性能的影响。开关速度只受寄生的基极-集电极和基极-发射极电容控制，因此证明了开关速度和开关功率损耗极可能与温度无关。
图4 在t=150 c与ic=12 a和vce=800 v下，导通（左）和关断（右）的开关测量数值
为了实现快速开关，在导通（turn-on）和关断（turn-off）期间，使用提供高动态基极电流的驱动电路是非常重要的。图4中的开关波形包含了不需要的振荡，它的产生是因为to-247封装和测试电路中的寄生电感。通过把sic bjt芯片封装在具有最小电感的电源模块中，并分开用于驱动电路和发射极间连接的引脚，可以获得改进的开关性能。
飞兆与danfoss silicon power和德国基尔应用科学大学（university of applied sciences kiel）合作，研制了具有多个并行bjt芯片的原型电源模块。原型电源模块包含了两个引线，有六个并行联接的50 a sic bjt芯片和六个反向并联的50 a sic肖特基（schottky）二极管芯片。该电源模块的尺寸为61 mm x 49 mm，采用环氧树脂封装，采用银烧结贴片技术。图5显示了单引线sic bjt模块的ic-vce 特性曲线。在ic=300 a下，正向压降vcesat只有1.0 v。
图5 使用六个平行50 a 1200 v bjt芯片，采用环氧树脂封装的原型电源模块的单引线ic-vce特征曲线
来自sic bjt的外部器件评估结果是肯定的。仿真结果表明，假如可以用sic bjt 取代si igbt，在pv逆变器中使用1200v器件，升压转换器的开关频率可以从16 khz提高到64khz，而不会增加总的功率损耗。使用sic bjt和sic肖特基二极管的完全基于sic的电源模块技术，对于光伏逆变器和高端马达驱动，能够提高效率和增加开关频率。我们提供驱动电路指南和应用指南以支持sic bjt技术，为客户提供改进能源效率的解决方案。也提供采用特殊金属to-258封装的sic bjt，目标为高温电力电子设备应用，比如石油和天然气钻探及航空。
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图1 bjt有源区和结端横截面原理图
图2显示了采用to-247封装的1200v sic bjt在室温下的ic-vce特性曲线。sic bjt具有良好的传输特性，并具有确定的导通电阻，类似于功率mosfet。图3显示了电流增益、vcesat 和vbesat与集电极电流的特性曲线。电流增益随集电极电流而增加，并在15a的额定电流下，达到略高于100的稳定水平。在高集电极电流下，电流增益无衰减，因为sic中的掺杂浓度高于si功率bjt。因此，在额定电流下高量注入不会发生。
图2 室温下额定15 a的1200 v sic bjt 的ic-vce特征曲线
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