功率半导体的发展阶段 碳化硅功率器件的三大优势 - 电力电子展

2024深圳国际电力元件、可再生能源管理展览会将行于8月28日至8月30日在深圳国际会展中心（宝安新馆）举行，邀您关注今日深圳电子展新资讯：

半导体（Semiconductor）是现代电子信息社会的物理基石，并已成为推动各种革命性变革和创新的强大驱动力，这点已是当前的社会共识。而功率器件正是半导体大产业的细分类别之一，在从电网、高铁等高功率装备、设备，到家电、数码产品、手机等中低功率日常消费电子产品中，功率器件都扮演着不可或缺的电能转换、供给的角色。

功率器件也称电子电力器件，是主要用于电气工程、电力系统中，根据负载的要求处理电路中电力转换的器件，从而使电气设备得到最佳的电能供给和高效、安全、经济的运行。与普通的半导体器件一样，目前功率器件所采用的主要材料仍然是硅，但由于硅基材料自身的物理属性限制，在电力转换领域以碳化硅为代表的第三代半导体材料制作的功率器件正逐渐崭露头角。半导体产业的发展始于功率器件，因此我们从半导体材料的发展历程讲起。

目前在全部三代半导体材料中，虽然第一代半导体材料里锗最先被研究且应用，但由于其造价较高（比白银稍贵），稳定性较差，难以像硅基器件制作稳定、致密的二氧化硅绝缘层，因此在实际中应用极少，目前主要集中于半导体行业中部分光电子器件领域的发光二极管、太阳能电池；二代、三代半导体材料主要为化合物半导体，化合物半导体中，目前主流第二代半导体材料GaAs占据了化合物半导体市场上79%的份额，但得益于最大功率范围、频率、亮度、耗电量以及高频噪声等方面的优势，各大厂商都认为第三代化合物半导体（GaN以及SiC）在应用端将有更优异的表现。未来，当射频芯片市场向高功率、高频率演进，比如随着5G的不断应用，GaN将成为该领域最主要的解决方案材料；同时电力转换领域向高电压、高功率挺进时，SiC因其在高温、高压、高频方面的优势，将成为功率器件领域最有效率的制作材料。

功率器件本来是属于半导体产业中的分立器件子类别，但随着制造工艺的不断提升，目前有部分产品可以与集成电路复合生产，所以以功率半导体的发展来介绍行业演变。功率半导体的发展可分为以下四个阶段：

第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段。这一阶段的功率器件在低频、大功率变流领域中的应用占有优势，取代了早先的汞弧整流器。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，功率二极管开始应用于电力领域，1956年贝尔实验室又发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出世界上第一只晶闸管器件，开创了传统的功率器件应用技术阶段，晶闸管属于半控型器件，即可通过信号控制其导通但无法实现关断的器件，实现了弱电对强电的控制，在工业界引起了一场技术革命。由于晶闸管具有可控的单向导电特性，被首先用于整流电路，因此也被称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier,SCR）。SCR在体积、重量、动态电气性能和控制性能的优越性，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，且应用范围迅速扩大，晶闸管的迅速发展使得中大功率的各种变流装置和电动机传动系统得到了快速发展。因为属于半控型器件，通过对SCR门极的控制，SCR仅能导通而不能关断，即该器件这一缺点使得SCR的应用有着很大局限性，关断这些器件的控制电路存在体积大、效率低、可靠性差、工作频率低以及电网侧和负载上谐波严重等缺点。

自功率IC出现以后，功率半导体市场从单一的功率器件产品，丰富为功率器件、功率集成电路产品并存，而又由于各代功率半导体产品在自身结构体系内不断迭代、在不同的应用领域及生产成本方面各有优势，当前整个功率半导体市场呈现出多代产品共存的局面。

未来，随着半导体加工技术及功率半导体技术的不断发展，电力电子技术也在不断向前发展，并表现出如下特征：1、降低产品的重量、体积；2、减少电力转换过程中的损耗；3、降低生产成本，缩短研发周期；4、降低产品的失效率，提升产品的可靠性；5、进一步提升功率密度和开关频率，以适应更多新兴发展方向；6、多代产品依照其功能、价格特点，依旧保持共存局面。

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）即金属-氧化物半导体场效应晶体管，由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加G与S间的电压至一定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此MOSFET是通过电压来控制导通，在G与S间施加一定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。MOSFET的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。MOSFET的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于各类开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。

MOSFFET的结构原理较为简单，但随着电力电子领域不断有新的架构方式被开发出来，尤其是Trench-gate、Super Junction、Insulated Field Plates等技术的应用大幅改善了Power MOSFET的能量转换效率及工作频率，使得MOSFET也经历多次更新换代。

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）即金属-氧化物半导体场效应晶体管，由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加G与S间的电压至一定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。因此MOSFET是通过电压来控制导通，在G与S间施加一定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。MOSFET的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。MOSFET的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于各类开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。

MOSFFET的结构原理较为简单，但随着电力电子领域不断有新的架构方式被开发出来，尤其是Trench-gate、Super Junction、Insulated Field Plates等技术的应用大幅改善了Power MOSFET的能量转换效率及工作频率，使得MOSFET也经历多次更新换代。

宽禁带功率器件指基材禁带宽度较高（大于2.3eV）的功率器件，一般仅指基于碳化硅、氮化镓这类第三代半导体材料制作的功率器件。宽禁带半导体由于基材与硅不同，所以在器件性能上与硅基器件有较大差异，例如第三代半导体材料的优点是禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、频率高，在高压、高温、高频应用领域相较于传统硅基器件有更强优势，同时使得系统结构简单化，降低损耗，更加节能，因此第三代半导体材料尤其适用于需要进行大功率电流转换的功率器件领域。。另外，第三代半导体材料的另一个优点是安全、环保，不会像砷化镓（GaAs）、磷化铟中（InP）等对环境以及人体产生危害。而由于氮化镓在材料端制备环节仍存在较大技术难度，当前具备大规模量产条件的第三代半导体功率器件仅有碳化硅。

更高的击穿场强、更好的热稳定性、更高的电子饱和速度及禁带宽度等，能够大大提高功率器件的性能表现。总结来看，对比硅基器件，碳化硅功率器件主要有三大优势：

（1）耐高温、高压。碳化硅功率器件的工作温度理论上可达600℃以上，是同等硅基器件的4倍，耐压能力是同等硅基器件的10倍，可以承受更加极端的工作环境。

（2）器件小型化和轻量化。碳化硅器件拥有更高的热导率和功率密度，能够简化散热系统，从而实现器件的小型化和轻量化。

（3）低损耗、高频率。碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的10倍，而且效率不随工作频率的升高而降低，可以降低近50%的能量损耗；同时因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积，降低了组成系统后的体积及其他组件成本。

目前第三代半导体在器件结构上主要以二极管、MOSFET为主，由于其相对于硅的优良的耐高压、高频特性，使得目前以MOSFET结构便足以替代硅基IGBT的广泛应用场景。

当前第三代半导体功率器件处于起步阶段，2018年全球市场规模约在4-5亿美元左右，以碳化硅功率器件占绝大多数，主要应用在电力转换领域，市场每年以30%左右的速度高速增长。当前碳化硅功率器件主要在新能源汽车的车载充电机、充电桩、计算机电源、风电逆变器、光伏逆变器、大型服务器电源、空调变频器等领域有初步应用。

碳化硅MOSFET在继承了硅基MOSFET的开关特性优异的特点时，因材料特性提升了耐压能力，可处理大功率电力需求并实现高速开关，从在耐大功率、高频率的全控型器件方面对硅基IGBT产品定位实现对标。

在左边IGBT与FRD组成的模组中，通过当IGBT的开关OFF时的波形可以看到，会产生流过元器件结构引起的尾（tail）电流，因而产生不必要的开关损耗。

而在下图右边碳化硅MOSFET和SBD组成的模组中，通过当开关OFF时的波形可以看到，碳化硅MOSFET不流过尾电流，因此相应的开关损耗非常小。

碳化硅MOSFET、SBD的模组与硅基IGBT、FRD的模组的关断损耗Eoff相比，降低了88%。同时，因硅基IGBT的尾电流随温度升高而增加，在高温时损耗相较于碳化硅MOSFET将进一步加大。

    文章来源：电子发烧友

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