碳化硅半导体

一目了然 功率晶体管 碳化硅器件 基于sic的电机控制 嵌入式控制

虽然全硅功率晶体管有着令人羡慕的性能增长记录，但在高要求的功率开关和控制应用中，它们可能已经达到了极限。

一种新型半导体材料碳化硅(SiC)有望带来一系列潜在的好处:更小、更高效的器件，大幅降低开关损耗，低泄漏电流，比标准(全硅)半导体更高的开关频率，并且能够在标准125℃以上的结温度下工作。小型化的可能性和高温特性也可能为将这些控制电子设备直接嵌入电机外壳提供进一步的自由。

与成熟成熟的技术相比，任何新技术都要经历一场艰苦的斗争，SiC功率控制也不例外。标准电源开关，如绝缘栅双极晶体管(igbt)，有一个非常大的产品基础和生产技术优化的产量。另一方面，SiC的进步需要大量的资金和研发投资，以解决剩余的材料问题并完善半导体制造方法。然而，这些电源开关设备值得关注，这些设备由外部控制，在正向模式下传导大电流和反向阻断千伏电流之间快速“切换”。

SiC的初步成功和主要用途是用于汽车大灯、仪表板和其他照明应用的发光二极管(led)。其他市场利基是开关模式电源和肖特基势垒二极管。未来的目标应用包括混合动力汽车、电源转换器(以帮助减小有源前端滤波器尺寸)和交直流电机控制。这些要求更高的应用还没有商业化，因为它们需要更高的材料质量和更高的产量来降低成本。然而，世界各地的许多公司、实验室和政府机构正在进行密集的研发，以使SiC技术可行。据一些专家称，商业、工业或军事产品的时间表被认为是两到五年或更长时间。

电机控制制造商对碳化硅的发展特别感兴趣，一些制造商通过与研究人员和半导体制造商合作来帮助这一进程。但大多数人仍然对他们的参与守口如瓶。

SiC的促进者

罗克韦尔公司标准驱动器部门的咨询工程师Gary Skibinski博士表示，罗克韦尔公司认识到新技术的潜在优势，并将自己视为SiC的“推动者”，同时也评估了SiC在未来业务中的应用前景。他说:“对于一家领先的公司来说，了解新技术并做好准备至关重要。”

事态正在逐步发展。例如，Skibinski指出，在驱动电路中的每个标准IGBT中添加一个SiC功率二极管(作为逆变器自由轮二极管)是提高产量的合理的第一步;电源开关将在之后推出。“全碳化硅驱动器仍在研发和原型研究中，”他说。

在最近对这种混合Si-SiC功率模块(Si IGBT +商用SiC二极管)的研究中，罗克韦尔发现，与全Si模块(Si IGBT +反并行二极管开关)相比，在降低能量损失和提高载频方面有显著改进。模块总功耗为E的和_在+ E_rr+ E_从(见“能量比较”图)。E的损失没有变化_从任意R值_门测试Si或SiC二极管，但当使用SiC二极管时，其他两个损耗组件显著降低。二极管反向恢复损耗E_rr减少到虚拟零(94%)的任何R_门，而IGBT E_在与R_门=25Ω，当R_门是8Ω。

罗克韦尔自动化最近的调查显示，与全硅模块相比，混合Si-SiC电源模块有潜力大幅降低Eon和Err的功率损耗。IGBT En全硅模块3.3 mJ的功率损耗值已归一化为每单元1.0 mJ，以便进行功率损耗比较。

这项研究说明了进入更高开关频率的可能性，这在历史上一直受到全硅二极管反向恢复损失的限制。E_rr限制了在减少接通损耗方面的额外改进。硅模块供应商推荐门电阻R_门(如25Ω)的最佳平衡IGBT接通(E_在)和关闭(E_从)能量损失，”斯科宾斯基解释道。然而，用SiC二极管，R_门可以进一步减少。

总功率损耗降低(E_在+ E_rr+ E_从)与碳化硅二极管在驱动器中具有潜在的有益特性，”他说。首先，使用相同的冷却系统，它可以使开关频率增加4倍，从而实现更好的性能，并可能降低前端磁滤波器的尺寸和成本。或者，他说，现有的开关频率(和冷却)可以保留，以产生诸如更高的效率和可靠性，更低的损耗或更高的输出额定值等好处。较低的总功率损耗可能会降低冷却成本。

安川电机(Yaskawa Electric)是另一家在其雷达屏幕上开发SiC的驱动器制造商。该公司总结了SiC的基本优点，包括高工作温度、高开关速度以及导通和开关模式下的低损耗，这使得驱动系统更高效。

日本小仓安川电气研发实验室的IEEE会员Tsuneo J. Kume博士告诉记者控制工程这种低损耗的特性，加上较高的工作结温度，使得碳化硅器件和冷却系统都要小得多，从而实现更高功率密度的驱动系统。此外，高频开关能力显著提高了控制系统的响应或带宽，”Kume说。安川一直与三菱半导体等领先的半导体制造商密切合作，以便在可能的情况下获得具有最先进技术的SiC器件。Kume表示，该技术仍在进行应用和质量测试，目前还没有启动具体的驱动产品开发。

灵活、创新

规模较小的创新型公司往往为技术进步提供动力。阿肯色州电力电子国际公司(Arkansas Power Electronics International Inc.)就是碳化硅领域的一家这样的公司。APEI专注于以SiC器件为核心使能技术的高性能电力电子系统的研发。“特别是，APEI工程师专注于极端环境操作(温度高达500℃)的技术开发

APEI已经开发，制造和测试了基于sic的直流和交流电机驱动器，单和三相逆变器(额定功率分别为3千瓦和5千瓦)，以及dc-dc转换器。该公司研究人员的其他进展包括高温封装技术，可以实现单设备在500ºC以上的电源运行。他说:“高结温可以减小电子器件热管理系统的尺寸，并在高功率密度下工作。”

另一家活跃在碳化硅功率晶体管开发领域的小公司是transc AB，由瑞典碳化硅研究专家于2005年成立，是斯德哥尔摩皇家理工学院(KTH)的子公司。最近，transc AB成功演示了标准TO 247封装的双极结晶体管(BJT)原型。第一个型号，BitSiC 1206，是一个1200v, 6a设备。

transc首席执行官Bo Hammarlund提到，芯片封装是成功的，开/关开关结果“与其他硅器件相比非常好”。该公司从各种来源购买SiC晶圆和外延材料，但所有关键的芯片加工都在KTH的实验室完成。

Hammarlund解释说，BitSiC的工业包装是由一家经验丰富的外部公司完成的，但是TranSiC可以为试点客户提供短期包装，在这些客户中，工艺开发速度是包装价格的权衡。

TranSiC预计，至少需要两年时间才能完全获得比特sic的资格，并使其处理具有成本效益。Hammarlund解释说，目前，这种设备的每片芯片尺寸都相当昂贵。“我们预计，在未来几年，当我们更加关注所有成本削减时，价格将每六个月下降30%。”

BitSiC 1206的下一步是在2006年年底前进行更广泛的客户抽样，并在TranSiC网站上发布初步数据表。Hammarlund表示:“我们的目标是在2007年底前推出一个30 a的原型设备，再加上一个能够处理225°C结温的封装原型。控制工程．目前的高端设备还在该公司较长的发展道路上。

不同的观点

并非所有人都认同碳化硅电源控制的未来。ABB是高功率半导体的专家，但2002年在瑞典的企业研究中心停止了雄心勃勃的SiC开发计划。该公司半导体研发部门给出的这一举措的一个原因是由于所谓的巴塞尔位错而产生的双极态退化效应。这反映了一种完全基于高压/大功率设备和应用的观点。

碳化硅被认为在短期内适合于低压单极二极管。此外，它还具有用于离散高频应用的低功率双极晶体管和jfet的潜力。然而，由于SiC材料PN结的位垒高度比Si材料高得多，双极二极管仅从传导损失的角度来看，适用于额定电压超过4.5 kV的器件，”ABB瑞士半导体研发总工程师Munaf Rahimo博士说。“另一方面，碳化硅双极晶体管没有这个缺点，从长远来看，与其他开关概念相比，它们对高压应用具有吸引力，”他说。

至于SiC的快速开关能力，ABB半导体确认只有在存在非常低的杂散电感的情况下才能进行这种高频操作，就像低功率/低压系统一样。“在大功率系统中，杂散电感很大，要求半导体开关速度更慢。对于碳化硅来说，这将意味着缓慢切换设备或为其安装减震器，这将重新引入我们试图通过使用昂贵的碳化硅来消除的损耗，”Rahimo继续说道。

此外，目前的基板材料价格被引用为100倍(对于3-in。Rahimo说:“从长远来看，这一因素可能会下降到10倍。”他解释说，虽然SiC晶圆质量已经得到改善，可以以可接受的产量制造小尺寸(最高达5 mm2)的器件，但具有较大模具的器件(通常是25 mm2芯片上的50 A二极管)的产量非常低。4。SiC晶圆，质量被引用为“仍然很差”。这与晶圆直径高达6英寸的单片双极器件相比。和震后。目前正在生产的硅晶圆。他补充说:“缺陷密度可能会达到足够低的水平，允许在大约5到10年内制造双极SiC功率器件。”高功率碳化硅器件的预计时间甚至更长。

其他开发人员在继续开发时也认识到了SiC的缺点。

需要突破

对于APEI公司的应用，需要突破来刺激SiC技术归结为器件和封装。“在设备层面，晶圆厂良率是首要考虑因素。低产量意味着设备进入市场的速度更慢，”Lostetter说。据报道，APEI与众多全球制造商合作，在研发阶段获得设备，但如果设备在商业上不可用，使用这些设备的系统同样不会被商业化。

该公司提到的其他问题包括需要开发正常关闭，电压控制器件，不降低功率密度性能，以及半导体金属化工艺，能够承受高温环境下的长期可靠性需求。目前许多可用的设备要么是常开型，要么是电流控制型。

Lostetter解释说，用正常运行的设备开发电力系统非常棘手。尤其棘手的是防止控制系统发生灾难性故障，例如所有电源设备接通并短路到地。

在材料层面，APEI认为需要具有长期可靠性的强大“模具附件”;电力基板上的扩散屏障和耐腐蚀金属化层研究进展以及机械可靠的功率基板，能够处理极端的温度波动，而不会因热膨胀系数不匹配和应力断裂而失效。

虽然一些原型产品已经在这里，但其他主要的SiC驱动器项目有更长的期限。APEI提到了它为美国政府客户提供的两个更令人兴奋的开发。高功率密度三相电机驱动器正在为美国陆军的未来战斗系统(FCS)项目工作，该项目旨在部署全电动和混合电动战斗车辆，目标最远可到2020年。Lostetter表示:“虽然APEI已经演示了3-5千瓦的SiC电机驱动器，但实际有用的电机驱动器需要在100- 1000千瓦的范围内。“我们相信，这些目标在未来两到三年内可以实现，用于示范用途，在未来三到五年内用于商业用途。”

一个更雄心勃勃的APEI项目涉及极端环境直流电机驱动，正在为NASA喷气推进实验室的金星原位探测器(VISE)开发。该计划仍处于规划阶段，旨在让机器人探测器在金星表面着陆。VISE类似于成功的火星机器人探测器，但金星的环境要极端得多:表面温度超过485

美国宇航局的时间表

Lostetter说:“APEI公司基于sic的电机驱动器可以实现机器人的牵引、附件和齿轮功能，而不需要昂贵的、沉重的电子屏蔽和热管理系统。”“此外，当热冷却剂耗尽时，硅基系统将在短时间内失效。”APEI估计全碳化硅电机驱动器将在2010年为飞行做好准备，这符合NASA在2013年发射VISE着陆器的时间表。

与此同时，TransSiC的Hammarlund相信，SiC材料缺陷“困难”将在未来三年内得到解决。他总结道:“到那时，我们将能够生产更大面积的组件，并能够推出至少50安培的芯片。”

碳化硅在电力控制方面的地位类似于“第二十二条军规”。当可靠的SiC设备大量上市，大幅降低价格时，用户和技术实现者将会在场;另一方面，当有足够的用户需求时，商业化就会到来。

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研究人员和开发人员认识到目前碳化硅(SiC)技术的缺点。与此同时，大多数人都相信，随着他们继续在材料质量、制造工艺和降低成本方面的工作，这些缺陷将得到解决。

事实上，据瑞典公司transc AB首席执行官Bo Hammarlund介绍，该公司成立于2005年，其前提是在改进SiC晶圆材料方面取得了“巨大进展”。他指出了4-in的可用性。自2006年初Cree Inc.推出的SiC晶圆，以及Intrinsic Semiconductor稍早推出的零微管(无缺陷)SiC材料。后者于2006年7月被Cree收购。Hammarlund还提到了与其他新的SiC晶圆材料供应商的会面，他从中获得了信心，认为供应商“将在未来几年提高材料质量的数量级”。

transc正在开发一系列原型SiC双极结晶体管(bjt)，第一款型号为bitsic 1206，额定电压为1200v, 6 A。更大的装置正在研制中，计划在2007年底前研制出30a的BJT原型机。相对于这些晶体管电流容量的逐步增加，Hammarlund表示，“目前不能直接使用高电流(10+ A)，因为芯片尺寸与产量的关系受到sic晶圆缺陷密度的限制。”

罗克韦尔自动化指出了当前SiC技术的三个问题领域:材料缺陷，需要扩大晶圆尺寸的制造工艺，以及降低生产成本的必要性。罗克韦尔公司Standard Drives divs的咨询工程师Gary Skibinski博士补充道，降低SiC价格必须通过提高SiC器件的产量来实现。此外，他认为SiC模块的冷却需要在包装方面取得突破。

Skibinski认为，微管缺陷问题(限制了模具面积和产量，从而限制了当前能力的增加)基本上已经解决了3-in。碳化硅晶片。在4。Skibinski解释说，晶圆尺寸、微管缺陷影响成品率的问题再次出现，但供应商表示，这个问题很快就会解决，随后将努力生产更大的晶圆。他说:“为了降低成本，我们需要更大的晶圆，就像标准的全硅材料一样，这种材料使用的是6英寸的晶圆。”

至于达到商用SiC二极管开关的时间表，他们现在可以在“几安培样品范围”和原型演示阶段。Skibinski总结道，真正的功率开关SiC器件将在2008-09年期间问世。

阿肯色电力电子国际公司(APEI)也认为目前碳化硅功率控制是一项高风险技术。APEI主席Alexander B. Lostetter博士说:“大多数公司都不想成为第一个将资源投入新领域的人。”当然，高风险也意味着潜在的高回报。即使是大力发展SiC的公司，也对市场非常谨慎。”他举了SiCED -an的例子英飞凌科技该公司已经将SiC JFET(结场效应晶体管)推向商业化。然而，商业化意味着技术转移给英飞凌，后者将不得不提供昂贵的生产线和营销，将SiCED的“工程师样品”带到英飞凌的全面生产阶段，他解释道。Lostetter表示:“英飞凌表示，目前没有足够大的需求让它投入这些资源。”

至于SiC晶圆质量，APEI不认为它“几乎是几年前的问题”。虽然这仍然是个问题，但晶圆尺寸的可用性比晶圆质量被认为更重要。“SiC晶圆的成本约为硅的10倍，而晶圆尺寸仅为4-5英寸。最大直径范围，”他说。

由于一些来源预测完全实现SiC能力需要很长的开发时间，因此出现了替代电源开关技术的问题。APEI不关心这个问题。Lostetter补充说:“目前唯一的可能是GaN(氮化镓)，它不具有SiC的热传导性。”“它甚至进一步落后于发展曲线。”

虽然碳化硅技术是一项正在进行的工作，但也许世界各地聪明的开发者可以缩短一些预测者预测的商业化时间。

弗兰克·j·巴托斯，体育运动员
顾问编辑

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