SiC电力电子器件在牵引领域应用展望*
曹琳+，郑松，吴磊，冯科
(中车永济新时速电机电器有限责任公司，山西 永济 044502；
西安永电电气有限责任公司，陕西 西安 710016)
摘要：宽禁带半导体SiC是最有发展前途的电力电子材料，满足牵引变流器轻量化、小型化、高效化的发展趋势。本文阐述了SiC电力电子器件在牵引领域的应用现状，介绍了SiC SBD、SiC MOSFET、SiC JFET及SiC IGBT的优势及特点，论证了SiC电力电子器件在牵引领域应用面对的挑战。可以看到的是，随着SiC单晶质量及晶片尺寸，相关制造、封装工艺的成熟与完善，用不了多少年，牵引领域电力电子装置和系统的性能就会因为SiC器件的广泛应用而得到显著的提升。
关键词：SiC，电力电子器件，牵引
Development and Prospect of SiC Power Devices
in Electric Traction
CAO Lin, ZHENG Song, WU Lei, FENG Ke
(CRRC YongJi Xinshisu Electric Equipment Co., Ltd., YongJi 044502, CHN
Xi’an Yong Dian Electric Co., Ltd.,Xi’an710016, CHN;)
Abstract: The wide band gap semiconductor Silicon Carbide (SiC) is the most promising power electronic materials that in accordance with electric traction converters lightweight, compact and high efficient development trend. This paper describes the current application status of SiC power devices in electric traction field, introduces the SiC SBD, SiC MOSFET, SiC JFET and SiC IGBT advantages and characteristics, demonstrates the challenges of SiC power devices in the electric traction driven system. In the foreseeable future, with the development and mature of SiC single crystal quality, wafer size, related manufacturing and encapsulation technology, it does not take many years, the power electronic traction equipment and system performance will be significantly improved because of SiC devices widely use.
Keywords: SiC, power electronics, traction
1 引言
电牵引技术的不断发展要求电力电子器件具有更高的功率密度、更高的工作温度、更小的功率损耗、更快的开关速度[1]。以硅（Silicon-Si）材料为基础的电力电子器件因大功率场效应晶体管（功率MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等新型电力电子器件的应用而日趋成熟。随着器件结构设计及制造工艺的完善，当前器件的性能已经接近Si材料的理论极限[2]。目前，以碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体电力电子器件已经实现商品化，在牵引领域表现出巨大的潜力[3]。
SiC材料较大的禁带宽度（3.26eV）使其相比于Si材料（1.12eV）具有很大的优势：本征载流子浓度低20个数量级，临界击穿电场高10倍，热导率高3倍，电子饱和漂移速率高1倍等。这些特性使得SiC电力电子器件在高温、高频及阻断电压等方面突破Si材料的极限[4]。
目前，SiC电力电子器件已经在600V-1700V中低压领域实现了产业化，Cree、Rohm、Infineon等公司可批量供应最大电流50A的SiC SBD及MOSFET产品，其应用已显著提高系统工作频率及整机效率。高压SiC器件[5]早在2003年已有报道，然而受晶体质量[6]及相关工艺限制，其产业正在发展中。机车牵引、高压直流输变电等领域目前正小批量试用高压SiC器件，系统性能提升明显。
牵引领域，2007年开始，丰田、日产[7]、本田等公司首先将SiC器件应用于电动汽车（EV）中。同时，罗姆、三菱、东芝等半导体公司也针对电动汽车需求开发SiC产品，以满足牵引逆变器小型化、轻量化、高效率的发展趋势。机车牵引领域，日本三菱电机于2011年10月推出SiC功率逆变器用于东京地铁银座线“01系”的部分车辆，用以进行车辆运行考核。2014年推出1500A/3300V 全SiC模块[8]用于小田急1000系列列车。日立公司也于2012年4月发布了针对地铁车辆用于1.5kV直流接触网的3.3kV 混合SiC模块。SiC电力电子器件在牵引领域应用正由样机试验试制阶段向批量化生产和工程化应用靠近。
我国高铁建设目前已拥有世界领先水平，但牵引用SiC电力电子器件及应用尚处于初期阶段。2013年开始，中国中车永济电机[9]及株洲时代电气[10]开始进行SiC器件封装及应用研究，希望通过应用推动整个SiC电力电子产业链的发展，追赶国外先进技术的脚步。
2 SiC电力电子器件
SiC器件在高阻断电压下依然有很小的导通电阻，因此SiC器件的研究开始集中在肖特基势垒二极管（SBD）、MOSFET等少数载流子器件上。
2.1 SiC SBD
SiC SBD为单极性器件，没有少数载流子的注入及自由电荷的存储，具有几乎理想的反向恢复特性，适合在高压、高频及高温条件下工作。
由于高压下SiC肖特基势垒比Si薄[11]，进一步提高SiC SBD的反向电压会受到隧穿势垒引起的反向漏电流限制。为了充分发挥SiC临界击穿电场高的优势，通常采用JBS[12]、MPS等结构降低肖特基接触处电场强度，获得了较好的器件特性。
SiC SBD是发展最为成熟的SiC电力电子器件，适用于600V-3300V阻断电压范围。Cree、Rohm、Microsemi、Infineon等公司SiC SBD已经应用于变频或者逆变装置中替换Si基快恢复二极管，显著提高了工作频率和整机效率。然而由于SiC开关器件发展的相对滞后，因此目前在牵引、工业变频等领域的普遍做法是将SiC SBD和Si IGBT芯片封装在一起以形成大功率开关器件，以降低器件开关损耗。
2.2 SiC MOSFET
SiC是唯一具有热氧化层的宽禁带半导体材料，因此可以直接借鉴Si 基MOSFET的设计、制造经验和生产设备。同时，SiC MOSFET与现有Si基MOSFET、IGBT驱动电路兼容，因此SiC MOSFET是发展最快的开关器件。
SiC MOSFET早期发展存在一些问题，如沟道迁移率低和栅氧化层可靠性问题。目前，迁移率问题通过埋沟[13]、高温气氛氧化等设计、工艺技术得到基本解决。可靠性方面，350°C[14]下栅氧化层依旧具有良好的可靠性，目前已经不是限制SiC MOSFET发展的瓶颈。
2012年，日本Rohm公司通过优化工艺条件及器件结构，改善了晶体质量，首次实现了SiC SBD与SiC MOSFET一体化封装，解决了1200V级别逆变器中使用Si IGBT及FRD（快恢复二极管）而导致功率转换损耗较大的问题。该产品在降低器件工作损耗70%以上的同时还实现了100kHz以上更高的工作频率，推动了外围部件小型化的发展。预计在今后5-10年时间，SiC MOSFET将替代Si IGBT成为主流电力电子开关器件。
2.3 SiC JFET
由于SiC MOSFET结构存在的不完美特性，使得同样为单级性开关器件的SiC JFET（结型场效应晶体管）受到了重视，并与SBD、MOSFET率先实现了商业化。SiC JFET还具有阈值电压随温度稳定性好、高温可靠性高等优点，是目前发展较快的SiC开关器件。
然而栅极P-N结工作方式的特点对器件应用也带来了很多不利的影响，如常通型、高米勒电容（Miller Capacitor）效应、高负栅关断电压等问题。这使得SiC JFET不能直接替代Si MOSFET及IGBT，使用时需要对驱动电路作出相应的调整，以保证器件安全可靠的工作。
目前，SiC JFET器件已经实现一定程度的产业化，主要以Infineon、SiCED及Semisouth公司的产品为主。产品电压等级在600V、1200V、1700V，单管电流最高达20A，模块电流等级达到100A以上。2013年，Rockwell 公司采用600V/5ASiC增强型JFET以及SiC SBD并联制作了25A三相电机驱动模块，与当时先进的Si IGBT模块相比较，同等功率下芯片面积减少40%，同时损耗及开关过电压、过电流问题降低明显。
2.4 SiC IGBT
受P型衬底电阻率高、沟道迁移率低及栅氧化层可靠性问题限制，SiC IGBT的研发工作起步较晚，1999年才有报道。经过多年的研究，目前已经逐步解决了上述问题。2008年报道的13kV[15] N沟道SiC IGBT通态比电阻达到了22mΩ.cm2。
通过与SiC MOSFET、Si IGBT及晶闸管比较发现，在阻断电压15kV以上领域，SiC IGBT综合了开关速度快及功耗低的特点，具有明显的优势。因此，通过不断提升SiC IGBT芯片特性及可靠性，SiC IGBT将成为智能电网中的核心器件。
3 SiC电力电子器件在牵引领域应用面对的挑战
3.1 芯片制造成本过高
从商业化角度看，SiC功率器件在电力电子器件市场很大，但SiC能否成功打入牵引领域市场，最终还是取决于它的性价比。目前虽已实现了6英寸4H-SiC衬底制备，但Cree公司从2英寸（1997年）扩大到商业化6英寸（2010年）零微管4H-SiC衬底花费了13年时间。同时，SiC功率器件工艺费用也很高，设备及技术掌握在国外少数几家公司。较高的价格导致其通常应用在高温，辐照等Si器件不能应用的领域。较小的市场维持高的成本限制了SiC功率器件的发展。
目前，同一规格SiC功率器件的价格是Si器件的5-6倍，当这一数值降到2-3倍时，SiC功率器件将会大范围应用于电动汽车、机车、动车变流器中，推动牵引系统快速发展。
3.2 材料缺陷多，单个芯片电流小
虽然目前SiC器件的研究已经取得了非常瞩目的成果，但其性能离SiC材料本身的极限还有较大距离。近几年，利用物理气相传输法（PVT）生长的SiC晶体和化学气相沉积法（CVD）生长的SiC薄膜取得了惊人的进步。采用缓冲层、台阶控制外延及位置竞争等技术制备的SiC薄膜晶体质量有了很大的提高，并实现了可控掺杂。但晶体中仍含有大量的微管[16]、位错[17]和层错[18]等缺陷，这些缺陷严重限制了SiC芯片成品率及大电流需求。
SiC电力电子器件要想应用于牵引领域，单个芯片面积必须要在1.2cm2以上，以保证100A以上的通流能力，降低多芯片并联产生的寄生参数。因此，SiC材料必须解决上述缺陷问题，SiC器件才有可能在牵引领域批量应用。
3.3 器件封装材料与技术有待提高
目前SiC功率器件封装工艺及方法通常借鉴Si IGBT封装技术，在DBC布局、芯片键合、高温焊料、硅凝胶填充、密封材料等方面还存在一些问题，不能充分发挥SiC材料高温及高频应用的优势。
针对SiC器件封装特殊要求，三菱、塞米控、富士等公司在封装材料及结构方面提出了新的思路，如三菱公司铜针布线技术，塞米控公司低温纳米银烧结技术，富士公司低电感和优化的DBC布局设计。随着国际厂商对SiC封装技术的重视，封装材料的不断发展及封装结构优化，封装将不再是限制SiC器件性能的瓶颈，SiC材料优势将完全得到展现。
4 结论
相比于目前广泛应用的Si电力电子器件，SiC器件可工作于更高的开关频率，实现电容及电感等储能和滤波部件小型化；芯片功率密度更大，缩小器件及功率模块尺寸；损耗小，工作结温高，减小冷却装置体积。这些优良特性共同推动牵引变流器向小型化、轻量化、高效率的方向发展。目前，由SiC SBD与SiC MOSFET组成的开关器件已经开始应用于机车牵引领域，展现出了优越的性能。
当前制约SiC电力电子器件在牵引领域应用的主要因素包括：衬底及外延成本高，芯片价格高；材料缺陷多，芯片成品率及单只芯片电流受到限制；封装技术存在瓶颈，SiC材料性能无法得到完全展现。不过可以看见的是，随着SiC材料技术的不断发展及各大厂商对SiC器件的重视，SiC电力电子器件未来几年在成品率、可靠性、价格及封装技术方面可获得较大改善，将广泛应用于牵引领域，逐步展现出其性能和降低变流系统成本方面的优势，对牵引变流器的发展和变革产生持续的推动作用。
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作者简介：
姓名：曹琳；工作单位：中车永济新时速电机电器有限责任公司；职务：无；专业技术职务：电气工程师；研究领域：SiC芯片及模块应用研究、Si基IGBT芯片后道工艺、IGBT模块结构设计、可靠性及失效分析研究;通信地址：陕西省西安市经开区凤城十二路中国中车永济电机研发中心；联系电话：13572966628；电子邮箱：cl_zhifang@hotmail.com；邮编：710016。