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SiC電力電子器件在牽引領域應用展望

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SiC電力電子器件在牽引領域應用展望

發布日期:2016-06-13 00:00 來源:http://www.thebeststays.com 點擊:

   電牽引技術的不斷發展要求電力電子器件具有更高的功率密度、更高的工作溫度、更小的功率損耗、更快的開關速度[1]。以硅(Silicon-Si)材料為基礎的電力電子器件因大功率場效應晶體管(功率MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等新型電力電子器件的應用而日趨成熟。隨著器件結構設計及制造工藝的完善,當前器件的性能已經接近Si材料的理論極限[2]。目前,以碳化硅(SiC)為代表的第三代寬禁帶半導體電力電子器件已經實現商品化,在牽引領域表現出巨大的潛力[3]。

  我國高鐵建設目前已擁有世界領先水平,但牽引用SiC電力電子器件及應用尚處于初期階段。2013年開始,中國中車永濟電機[9]及株洲時代電氣[10]開始進行SiC器件封裝及應用研究,希望通過應用推動整個SiC電力電子產業鏈的發展,追趕國外先進技術的腳步。

  SiC電力電子器件在牽引領域應用面對的挑戰

  1 芯片制造成本過高

  從商業化角度看,SiC功率器件在電力電子器件市場很大,但SiC能否成功打入牽引領域市場,最終還是取決于它的性價比。目前雖已實現了6英寸4H-SiC襯底制備,但Cree公司從2英寸(1997年)擴大到商業化6英寸(2010年)零微管4H-SiC襯底花費了13年時間。同時,SiC功率器件工藝費用也很高,設備及技術掌握在國外少數幾家公司。較高的價格導致其通常應用在高溫,輻照等Si器件不能應用的領域。較小的市場維持高的成本限制了SiC功率器件的發展。

  目前,同一規格SiC功率器件的價格是Si器件的5-6倍,當這一數值降到2-3倍時,SiC功率器件將會大范圍應用于電動汽車、機車、動車變流器中,推動牽引系統快速發展。目前大量應用的還是如有機實芯電阻器,SMD功率電感器,塑封繞線片式電感器等元件。

  2 材料缺陷多,單個芯片電流小

  雖然目前SiC器件的研究已經取得了非常矚目的成果,但其性能離SiC材料本身的極限還有較大距離。近幾年,利用物理氣相傳輸法(PVT)生長的SiC晶體和化學氣相沉積法(CVD)生長的SiC薄膜取得了驚人的進步。采用緩沖層、臺階控制外延及位置競爭等技術制備的SiC薄膜晶體質量有了很大的提高,并實現了可控摻雜。但晶體中仍含有大量的微管[16]、位錯[17]和層錯[18]等缺陷,這些缺陷嚴重限制了SiC芯片成品率及大電流需求。

  SiC電力電子器件要想應用于牽引領域,單個芯片面積必須要在1.2cm2以上,以保證100A以上的通流能力,降低多芯片并聯產生的寄生參數。因此,SiC材料必須解決上述缺陷問題,SiC器件才有可能在牽引領域批量應用。

   3 器件封裝材料與技術有待提高

  目前SiC功率器件封裝工藝及方法通常借鑒Si IGBT封裝技術,在DBC布局、芯片鍵合、高溫焊料、硅凝膠填充、密封材料等方面還存在一些問題,不能充分發揮SiC材料高溫及高頻應用的優勢。

  針對SiC器件封裝特殊要求,三菱、塞米控、富士等公司在封裝材料及結構方面提出了新的思路,如三菱公司銅針布線技術,塞米控公司低溫納米銀燒結技術,富士公司低電感和優化的DBC布局設計。隨著國際廠商對SiC封裝技術的重視,封裝材料的不斷發展及封裝結構優化,封裝將不再是限制SiC器件性能的瓶頸,SiC材料優勢將完全得到展現。

  4 結論

  相比于目前廣泛應用的Si電力電子器件,SiC器件可工作于更高的開關頻率,實現電容及電感等儲能和濾波部件小型化;芯片功率密度更大,縮小器件及功率模塊尺寸;損耗小,工作結溫高,減小冷卻裝置體積。這些優良特性共同推動牽引變流器向小型化、輕量化、高效率的方向發展。目前,由SiC SBD與SiC MOSFET組成的開關器件已經開始應用于機車牽引領域,展現出了優越的性能。

  當前制約SiC電力電子器件在牽引領域應用的主要因素包括:襯底及外延成本高,芯片價格高;材料缺陷多,芯片成品率及單只芯片電流受到限制;封裝技術存在瓶頸,SiC材料性能無法得到完全展現。不過可以看見的是,隨著SiC材料技術的不斷發展及各大廠商對SiC器件的重視,SiC電力電子器件未來幾年在成品率、可靠性、價格及封裝技術方面可獲得較大改善,將廣泛應用于牽引領域,逐步展現出其性能和降低變流系統成本方面的優勢,對牽引變流器的發展和變革產生持續的推動作用。


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