中国粉体网讯 3月24日，苏州市轨道交通3号线工程车辆全碳化硅永磁直驱列车全球首发活动在苏州市轨道交通3号线浒墅关车辆段举行。
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除了采用走行风冷的永磁直驱电机外，其最大的特点便是采用了全碳化硅功率半导体技术。由于采用完全的SiC半导体技术替代传统IGBT技术，大大提升了变流器的开关频率，实现了准正弦输出电压来驱动永磁直驱电机方案，使得电机的损耗得到显著降低，因此可以实现电机的自然冷却。
听起来很“高大上”，关于碳化硅半导体技术在列车上的具体应用确实大有学问，今天我们就来了解一下碳化硅功率半导体器件。
电子电力技术发展史
电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）、电力场效应管（POWER-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，这些第二代全控非自锁型器件的应用，使电力电子技术进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管为代表的复合型器件集驱动体积小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，高频、高压、大功率等特点使之成为现代电力电子技术的主导器件，也标志着电力电子技术变频时代的到来。因此，电力电子技术的发展很大程度上是由电力电子器件的发展推动的。
目前半导体功率器件的主流产品即高频场控器件IGBT，已经发展到第六代，商业化IGBT己经发展到第五代，高频场控器件IGBT及其模块己经涵盖了600V-6.5KV的电压，1A-3500A的电流。以德国英飞凌公司提供的产品规格为例，硅器件的工作温度低于200°Ｃ，一般在-55°Ｃ-175°Ｃ。商用Si IGBT的击穿电压可达几千伏，但目前大部分产品为600V-1700V，而Si MOSFET的工作电压为20V-900V。
碳化硅功率器件的问世
SiC SBD由Infineon公司推出。在之后的十余年中，包括Cree、Rohm、IXYS、IR、Tran SiC在内的一些国际知名的半导体器件公司在碳化硅功率器件领域进行研究，并推出了一系列商业化产品。欧美和日本的许多知名院校和科研机构，也在不断地进行碳化硅半导体器件的理论研究，该领域的论文数量逐年上升。这些研究为各公司推出商业化碳化硅器件奠定了良好的科研基础，为碳化硅器件的稳步发展做出了巨大的贡献。
（碳化硅半导体材料及器件的发展过程）
近年来，国内一些高校和研究所，如西安电子科技大学、南京航空航天大学等，对碳化硅器件的基板制作和技术应用进行了深入研究，与一些半导体厂商开展合作，并取得了一定的成果，为国内碳化硅器件的商业化做出了贡献。此外，国内关于碳化硅半导体器件的论文数量也在逐年上升，在SiC MOSFET驱动策略等方面的研究尤为突出，但是在碳化硅电机驱动器方面的研究还相对较少。
碳化硅功率器件的特点
迄今为止，大多数电机驱动器均采用硅材料的功率半导体器件作为开关，但由于硅材料本身特性的约束，器件性能难以大幅提升，使其进一步的发展受到很大限制。为突破这一限制，研究人员将目光集中到几种宽禁带半导体材料上，如碳化硅、氮化镓等。与传统硅器件相比，它具有电子饱和速度高、雪崩临界击穿电场高、介电常数低、工作温度及热导率高、导通电阻低、开关损耗和导通损耗低等众多优势，适用于高电压等级、高耐温需求、高开关速度、高功率密度等场合，是电力电子功率半导体领域Si材料的首选“继承者”。
（不同半导体材料特性对比）
碳化硅材料功率器件的特点主要有：
（1）宽禁带
碳化硅禁带宽度是硅的三倍，当温度升高时，器件不会因为本征激发急剧増加而失去阻断作用，因此碳化硅功率半导体器件可以工作在600°Ｃ的高温环境中，这为减小甚至撤除散热系统从而提高电力电子装置功率密度创造了条件。
（2）高击穿电场
临界击穿电场是硅的十几倍，这使得碳化硅功率半导体器件具有更高的耐压能力，也就是说在相同的耐压前提下，碳化硅功率半导体器件漂移区可以做得更薄，大大减小了器件尺寸；此外，功率半导体器件通态电阻Ron与材料临界击穿电场的立方成反比，加之器件尺寸减小，因此碳化硅功率半导体器件的通态损耗要比硅基同等级器件小很多，提高了系统的效率和功率密度。
（3）高热导率
热导率是硅的三倍，加快了器件散热速度，减小了器件对散热系统的依赖，因此可以提高系统的功率密度。
（4）高载流子饱和速率
载流子饱和速率是硅的10倍，减小了碳化硅功率半导体器件通态电阻Ron，同时大幅提高了器件工作频率，高频特性良好。此外，碳化硅还具有相当高的临界位移能，是硅的2-4倍，这使得碳化硅功率半导体器件具有更高的抗电磁冲击和抗辐射破坏的能力。
（SiC和IGBT功率模块的主要技术参数对比)
碳化硅功率半导体器件的分类
碳化硅功率半导体器件主要有碳化硅二极管（SBD、JBS、PiN）、碳化硅单极型功率晶体管（JFET、MOSFET）、碳化硅双极型功率晶体管（BJT、IGBT、GTO）等。现阶段最常见也最有应用前景的碳化硅电力电子器件是SiC MOSFET和SiC SBD。
1、SiC MOSFET
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，是目前硅基器件中应用最为广泛的功率开关器件。然而硅材料中，耐压高的器件单位面积导通电阻也较大，Si MOSFET常用于200V以下场合，虽然经过特殊处理的CoolMOS耐压能够达到900V，但价格比较昂贵，所以在600V以上的较高电压应用中，主要采用的开关器件是IGBT。由于IGBT向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，所以导通电阻比MOSFET小得多，但是另一方面因为少量载流子的堆积，关断过程中会出现尾电流，产生较大的开关损耗。碳化硅材料漂移层的阻抗比硅器件低，不用通过电导率调制仍可以在较高的开关频率下实现髙耐压和低导通损耗。同时MOSFET在应用中不会出现尾电流，因此以SiC MOSFET代替Si MOSFET可以大大降低开关损耗，实现散热部件小型化，并且Si MOSFET驱动电路与现有的Si MOSFET和Si IGBT驱动电路高度匹配，因此SiC MOSFET是最受瞩目的碳化硅功率开关器件。
2、碳化硅二极管
从2001年Infineon公司首先推出商业化SiC SBD开始，到目前为止，多家公司都推出了优秀的SiC SBD产品，其中最为突出的有Cree公司于2015年推出的1700V/25A的SiC SBD和Rohm公司于2017年推出的1200V/40A的SiC SBD等。除了SBD外，SiC PiN（PN结间掺杂本征半导体）二极管和JBS（结势垒肖特基）二极管也取得了不错的研究进展。
3、其他碳化硅器件
其他常见的碳化硅器件包括JFET（结型场效应管）、BJT（双极结型晶体管）、IGBT等。Infineon、Cree、Rohm和Semisouth等多家公司对此都有研究，推出了部分商业化的器件，但一些相关技术尚不成熟，还处于继续研发的阶段。
现阶段，可采用新型IGBT器件替换SiC器件，而面向未来则首选SiC器件。虽然SiC功率模块的成本十分高昂，但不可忽视其未来技术发展潜力和成本的大幅度下降。因此，基于碳化硅的变流装置将是城轨车辆牵引系统技术的发展趋势。
参考来源：
[1]米乾宝等.碳化硅MOSFET在永磁同步电机驱动中的应用研究综述
[2]石宏康.基于碳化硅功率器件的永磁同步电机驱动系统研究
[3]傅亚林等.以碳化硅功率模块及永磁电机为特征的新一代牵引系统研究
（中国粉体网编辑整理/山川）
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