3月03日，2021年
Peter Gammon博士
电力技术商业高压碳化硅器件的前景 - 摘要
SIC Power Device有可能达到超过30千伏的电压额定值，但今天，SIC芯片制造商主要集中在SiC Mosfets和Schottky二极管，从600-1700 V.在这篇文章中，我将探讨与高压（HV）相关的问题SIC设备并尝试回答为什么10 kV设备仍然似乎是一项从成为商业现实的一点途中的问题。
今天，碳化硅(SiC)作为电力电子领域下一个重大产品的潜力就摆在我们面前。越来越多的公司已经实现了从600 V到1700 V的快速开关、低电阻肖特基二极管和mosfet。在这个电压范围内，这些设备是最优的汽车和太阳能逆变器应用(以及更多的)，给电力电子设计师在发展有价值的工具小，轻盈高效的解决方案．
但是，SIC的破坏效益在目前可用的非常窄的电压范围内不会开始和结束。有许多应用程序，包括牵引力，工业机器，固态变压器和几个电网级应用，可以从一系列完全优化的SIC电源器件中受益，电压额定值高达10 kV，甚至更高。例如，在HVDC转换的实现中，SiC MOSFET或IGBT可以替换VSC转换器中的SI IGBT，通过使用更少的设备进行电流溶液，或者可能延伸超出目前可实现的电压范围。
SiC的材料特性使其能够承受比硅(Si)大9倍的电场(单位长度电压)。这个~9x比率是利用现有的硅市场预测SiC技术的全部潜力的有用尺度。例如，探索市场上可用的器件，你会注意到额定1200 V的SiC mosfet和额定150-200 V的Si mosfet在导通电阻和电流额定值上的等效性，正如TechInsights最近讨论的那样年度电力研讨会．因此，随着硅超结MOSFET器件可提供高达900 V，硅igbt和晶闸管可提供超过6kv的igbt，可以预见SiC器件的上限比今天的1700 V MOSFET高得多。对于单极器件(mosfet和肖特基)，高达10 kV的电压似乎是可以实现的，而双极器件(igbt和晶闸管)，至少在理论上可以超过30 kV。碳化硅双极的情况本身就是一个有趣的话题(可能在未来的文章中会提到!)，但这些目前确实存在一些问题，即目前碳化硅的载流子寿命，以及市场上P+基板的缺乏。
图1基因3.3 kV MOSFET模具
实际上，很少有技术障碍阻止单极器件(肖特基二极管和mosfet)超过1700 V的升级。事实上，3.3千伏的设备现在已经可以买到，诞生的已经释放了3.3 kV MOSFET（如图1所示，最多35 A）和二极管（最多5 A），而且三菱电气将自己的3.3 kV产品集成到模块中。虽然所有主要制造商尚未释放产品> 1700 V，但每年在国际SIC会议上，WolfSpeed释放关于其“中型电压”示范器件的数据，包括mosfet额定电压可达15 kV和IGBT和晶闸管额定高达30 kV．
放大SiC mosfet的一个积极方面是减少了对沟槽栅的依赖，从而降低了导通电阻。这是因为随着mosfet额定电压的增加，漂移区电阻也在增加，它在总RDS中所占的比例越来越大。在10kv时，漂移区域的电阻使衬底和沟道区域的贡献相形见绌，这意味着即使是平面器件的总RDS也非常接近SIC的单极极限，在给定电压下可实现的最低电阻。
SiC材料的成本随着电压范围的增加而增加，这些成本可以估计如下。根据作者在2020年获得的厚外延材料的价格(尽管是小订单)，10kv SiC MOSFET开发所需的100µm外延材料的SiC衬底价格是1200v 10µm衬底价格的4倍以上。考虑到芯片尺寸的差异，由于更大的终端，一个10kv, 50a芯片的成本将比一个1200v, 50a芯片贵6倍以上。然而，这并不是什么新鲜事;芯片成本总是随着电压的增加而增加。与以往一样，规模经济和竞争将在短时间内降低这些材料的成本，而更高的价格将更容易被这些利基应用领域吸收。
笔者认为，高压碳化硅器件产品的发展不受技术壁垒和成本的制约。在这些电压下，有些问题需要解决，但这是每个新设备类别的真实情况。相反，在我看来，高压设备发展的唯一障碍是600- 1700v市场的规模和竞争，而这背后的驱动力是电动汽车。相比之下，在牵引或高压直流领域，高压应用的市场规模非常小。因此，向这一领域扩展将需要这些更大的市场达到饱和，或者需要像GeneSiC这样更加敏捷的公司继续领先。
参考文献
Genesic G2R120MT33J 3300 V 120MΩSICMOSFET电源平面图分析（PFR-2102-801）
英飞凌IMW65R107M1HXKSA1 650 V COOLSIC POWER ESSENTS(pef - 2003 - 802)
Rohm SCT3022ALGC11 SiC MOSFET功率基本（PEF-1905-802）
Peter Gammon博士，副教授（读者）沃里克大学和PGC SIC咨询的创始人
Peter Gammon博士在SIC电源设备的设计，制造和测试中拥有15年的经验，发表80期刊和会议论文在这个问题上。他是主要的研究项目进入发展10 kV sic igbts， 3.3 kV碳化硅二极管和辐射硬碳化硅器件的卫星应用。的能源研究组电力电子应用与技术在沃里克大学举办最先进的SIC设施，包括一个SiC制造洁净室，一个SiC CVD反应器，一个封装实验室，以及一套用于SiC电力电子设备的电气特性和可靠性测试的设施。
