——即将腾飞的新一代半导体技术
Silicon Carbide Semicondutor Technology:
——A new generation of semiconductors is about to take off
电源设计者们仿佛正在目睹一个新的半导体技术的诞生。随之而来的新一代功率半导体器件远远优于现有的硅技术。SiC材料可以让器件具有迄今为止设计工程师们梦寐以求却不能得到的出色特性。其重要的优点包括以下几个方面:
● 工作结温高达225℃,而相应的漏电流只有适度的增加。由于本质上不会出现热偏移(thermal run-away),故可以在很高的结温下可靠的工作。
● 没有正向或反向恢复,故即使在高温下以高频工作时,也没有开关损耗。甚至可以实现开关损耗极小、频率高达1MHz 的深度切换(hard switching)。
● 正向电阻具有正温度系数,这样就有可能安全的通过并联若干器件来提高功率。
● 能承受的击穿电压要高得多,所以能经受住高达4500V的高压。这对硅功率器件来说是不可想象的。
● 简而言之,SiC元件离梦想中的理想器件已经不远了。不妨可以这样来看,即SiC二极管与超高速硅二极管相比,恰如MOSFET晶体管与双极型器件相比。
硅二极管限制了电源的进步
功率半导体工业永无止境的竞赛(功率更高而体积更小、价格更低),在很大程度上表现为MOSFET方面的极速角逐,人们不断引入电流、电压更高而Rdson 更低的新器件,它们带来了许多新的特征,封装中也集成了越来越多的元件。新型MOSFET的推出如此之频繁,以至于设计工程师几乎无法跟上潮流。一项产品从工程研发走向生产阶段时,设计中选用的大多数MOSFET又可以为更好的、价格几乎只有一半的新器件所取代。
不过这场竞争带来的性能更优良的超高速恢复硅或肖特基二极管却要少得多。这些器件主要用作SMPS(开关式电源)中的输出整流或PFC(功率因数修正)电路中的闭锁(保护)二极管。这些器件是当前限制电源工业进步的主要原因。它们在高频开关过程中的恢复特性较差,这使其实际使用被限制在工作频率小于150KHz的PFC电路方面,以及不能使用肖特基二极管的整流电路中。饱受挫折的设计工程师仍然渴望在二极管技术方面取得突破,以和晶体管的能力相匹配。新型的SiC二极管已表明其非常有可能引起这一突破。诚然,它们现在价格比Si二极管要高2_3倍,但新型半导体材料引入过程的历史经验表明在2_3年内其价格将大大下降。
展望未来,SiC届时将会在整个半导体工业中掀起一场革命,为通用电子产品和汽车应用开辟新的前沿——而不仅仅在功率电子方面。电源设计者们为此深受鼓舞,也就不值得惊奇了。 不过就目前而言,关注焦点放在SiC二极管上,因为还不能获得有商用价值的三极管。然而这不过是时间问题。因为欧洲的Infineon、SiCED和北美的半导体材料制造商Cree Research的实验室正在全力以赴进行研发。
SiC和PFC——完美的一对儿
SiC二极管适合用于频率极高的PFC电路,在这类电路中,常规的肖特基二极管或GaAs二极管由于截断电压仅为250V而不堪使用。与之类似的超快恢复(35ns_50ns)硅二极管由于恢复功率损耗过大而不能有效用于150kHz以上的PFC电路中。很高的(di/dt) 恢复电流会产生高频电压振铃和能漏入逻辑电路中的噪声信号。其结果是PFC电路多方面性能的下降:效率降低、电磁干扰严重、可靠性变差。故此,在150kHz以上的(深度切换)PFC电路中采用超高速(35ns)Si二极管是不可取的。
SiC的优点
S胫�纬上拭鞫员鹊氖牵�璨牧系穆┑缌鞲�撸��宜嫖露瘸手甘©形式增加,出现热偏移,使器件终损坏。
cm2)的条件下可以承受3 000V的电压。故此,PFC用600V二极管是处在SiC实际可使用范围之内的。由于认识到其广阔的应用前景带来的重要性,Infineon将其作为新的SiC二极管产品系列中进行商业推广的目标——600V6A和600V/12A二极管,均采用TO-220外壳。在分销时,这些是标准产品。
SiC静态特性内在的另一个好处是所谓的“面积决定的差分导通电阻”所具有的正温度系数。二极管正向电阻以可以预测的方式随温度增加,使得多个器件可以安全的并联以满足更高的电流应用要求。与Si二极管相比这是一个极为重要的优点。由于Si二极管的特性正好相反,故不能有效的并联。
就目前而言,在新设计中使用的SiC二极管不久将使开关频率从150kHz提高到500kHz,而且使PFC所需电感的尺寸和价格下降30%_40%。这一下降补偿了采用SiC二极管而增加的成本,虽然目前只能是部分补偿。
SiC有助于提高效率和可靠性(与电流和电压指标相同的超高速二极管相比),这能在一定程度上或完全抵消在高端、高密度应用中由于价格增加带来的不利影响。
SiC技术应用在其他器件中的延伸
一些SiC技术的主要开发商(Infineon,SiCED——均为德国公司)已经通过将级联的SiC/Si器件和MOSFET晶体管进行混合集成,制作出了JFET和“IGBT型”开关样品。这些器件能承受的击穿电压高达4.5kV。当然它们还只是雏形。
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