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碳化硅肖特基二极管发展现状

作者:立深鑫        发布时间:01-28        点击:
摘要 : 以碳化硅为代表的第三代宽带隙半导体,能在更高的温度、电压和频率环境下正常工作,同时耗电更少,耐久性和可靠性更强,将为下一代更小尺寸、更快速度、更低成本,更高效的电力电子产品。碳化硅电力电子器件技术的进步和产业化将在高压电力系统中开辟新的应用领域
以碳化硅为代表的第三代宽带隙半导体,能在更高的温度、电压和频率环境下正常工作,同时耗电更少,耐久性和可靠性更强,将为下一代更小尺寸、更快速度、更低成本,更高效的电力电子产品。

碳化硅电力电子器件技术的进步和产业化将在高压电力系统中开辟新的应用领域,对电力体制改革产生深远影响。碳化硅电力电子器件具有高效、高压、高温、高频等优良性能,在家用电器、汽车节能、电动汽车、智能电网、航空航天、石油勘探、自动化、雷达、通信等领域具有巨大的应用潜力。


碳化硅肖特基二极管

碳化硅功率器件简介!

1.碳化硅(SIC)的定义

碳化硅(SIC)电力电子器件是由第三代半导体材料SIC制成的宽带隙电力电子器件,具有耐高温、高频、高效率等特点。根据器件的工作方式,SiC电力电子器件主要包括功率二极管和功率开关。功率二极管包括结势垒肖特基(JBS)二极管、PIN二极管和超结二极管;功率开关主要包括金属氧化物半导体场效应开关(MOSFET)、结场效应开关(JFET)、双极开关(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT),门极关断晶闸管(GTO)和发射极关断晶闸管(ETO)。

2.技术优势

与硅器件相比,碳化硅基电力电子器件由于其优异的性能,具有以下突出的优点:

(1)它的导通电阻较低。在低击穿电压(约50V)下,SiC器件的导通电阻仅为1.12uΩ,约为同类器件的1/100。在高击穿电压(约5kv)下,比导通电阻提高到25.9mΩ,约为同类硅器件的1/300。低导通电阻使SiC功率电子器件具有较小的导通损耗,可以获得较高的整体效率。

(2)具有较高的击穿电压。例如,商用硅肖特基二极管的耐压通常在300V以下,而第一个商用碳化硅肖特基二极管的额定电压已经达到600V;第一个商用碳化硅MOSFET的额定电压为1200V,而普通硅MOSFET的额定电压大多在1KV以下。

(3)结壳热阻越低,温升越慢。

(4)硅器件的最高结温只有150℃。

(5)较强的抗辐射能力可以减轻航空等领域辐射屏蔽设备的重量。

(6)SiC器件的正向和反向特性随温度变化不大。

(7)降低开度和悬挂损失。碳化硅器件具有较低的开关损耗,可以在较高的开关频率(>20kHz)下工作,这是硅器件在几十千瓦的功率水平下难以实现的。

三,主要分类

(1)碳化硅肖特基二极管

肖特基势垒二极管(SBD)作为单极性器件,在导通过程中没有额外的载流子注入和存储,因此没有反向恢复电流。它的关断过程很快,开关损耗很小。但由于硅的肖特基势垒低,硅SBD的反向漏电流大,阻断电压低,只能在低电压下使用。PIN二极管通常用于高压场合,但其反向恢复电流大,开关损耗大。由于SiC具有较高的临界雪崩击穿电场强度,因此制备反向击穿电压在1000V以上的sicsbd比较容易。

基于SiC的这些独特优势,Cree等半导体器件制造商生产了单器件电流电平为1-20a、电压电平为300V的高压SiC肖特基二极管产品,600V和1200V。表1显示了国际主要碳化硅SBD制造商及其商用设备的当前水平。中铁二院刚刚推出了最新的1700V碳化硅SBD。SiC肖特基二极管在高压开关应用中提供了接近理想的性能。它几乎没有正向恢复电压,所以可以立即打开。不像结电容器,它有非常小的存储电荷,可以很快关闭。

(2)碳化硅功率晶体管

碳化硅MOSFET由于其优越的特性和成功的应用,成为碳化硅电力电子器件研究中最受关注的器件。