由于能源成本上升和人們積極應對全球變暖，電力電子設備的能源效率已經變得越來越重要。為了提升電力電子設備的能源效率，具有較低功率損耗的功率半導體器件技術是關鍵所在。在半導體器件中，功率損耗的降低可以改善系統(tǒng)效率，并帶來直接的能源節(jié)省。降低的低功率損耗同樣是有益的，可以減小系統(tǒng)體積，并增加像在混合動力及電動汽車領域的市場滲透。

隨著開關電源和太陽能DC/AC轉換應用逆變器市場不斷增長，碳化硅(silicon carbide，SiC)功率二極管得到了廣泛應用。SiC二極管技術的主要優(yōu)勢是快速開關且無反向恢復。當與超級結FET等快速開關器件一起使用時，SiC二極管能夠實現更高的開關頻率，減少無源元件并降低總體系統(tǒng)成本。SiC二極管技術已在現場應用中被證明是可靠的，采用工業(yè)晶圓，使得外延和半導體制造工藝用于SiC成為可能。后面重要的一步就是將向市場推出SiC功率開關管。

SiC功率開關管與SiC二極管一起使用，可以進一步減小開關功率損耗，相比Si超級結FET或IGBT，具有顯著降低的通態(tài)(on-state)功率損耗。基于SiC功率器件系統(tǒng)的一個優(yōu)點就是，可以工作在更高的結溫，采用合適的封裝技術，器件的工作溫度甚至可以達到250℃。

在SiC功率開關管中，三種相互競爭的技術MOSFET、JFET和雙極性晶體管(bipolar junction transistor，BJT)均可提供樣品或完全上市的成品。飛兆半導體已經開發(fā)了額定電壓為1200 V的BJT器件，與硅功率雙極性晶體管截然不同。它具有很高(接近于100)的電流增益，且在大集電極電流下無衰減；開關速度象單極器件一樣快，并且非常穩(wěn)健，沒有二次擊穿問題。

圖1顯示了飛兆半導體SiC BJT有源區(qū)的橫截面原理圖，該器件是一種垂直外延NPN晶體管，集電極在晶圓的背面?；鶚O-發(fā)射極和基極-集電極結可通過干法刻蝕來形成，在有源區(qū)內有許多窄發(fā)射極梳狀條，由基極-集電極結環(huán)繞著。P型離子注入用于形成低電阻基極歐姆接觸和高壓阻擋結終端。蝕刻和曝光的表面被鈍化，在厚絕緣氧化層沉積后進行厚鋁墊(Al pad) 沉積，用于形成發(fā)射極和基極。在SiC BJT芯片的背面進行金屬化，可兼容標準的貼片技術，正面有厚Al層適合厚Al引線粘接。SiC BJT備有兩種封裝：標準TO-247和專用高溫金屬TO-258封裝。這些封裝提供兩種不同的芯片尺寸，分別用于15A和50A額定電流。

圖1 BJT有源區(qū)和結端橫截面原理圖

圖2顯示了采用TO-247封裝的1200V SiC BJT在室溫下的IC-VCE特性曲線。SiC BJT具有良好的傳輸特性，并具有確定的導通電阻，類似于功率MOSFET。圖3顯示了電流增益、VCESAT 和VBESAT與集電極電流的特性曲線。電流增益隨集電極電流而增加，并在15A的額定電流下，達到略高于100的穩(wěn)定水平。在高集電極電流下，電流增益無衰減，因為SiC中的摻雜濃度高于Si功率BJT。因此，在額定電流下高量注入不會發(fā)生。


圖2 室溫下額定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特征曲線

圖3顯示了VCESAT 隨集電極電流呈線性增加，且在額定電流IC=15A時，其值為0.75 V。對于具有4.68 mm2有源區(qū)(active area)的15A SiC BJT芯片，相應的特征導通電阻(specific on-resistance)僅為2.3 mΩcm2。就我們所掌握的知識，對于任何1200 V額定功率器件，這是最小的特征導通電阻。在VCEO=1200 V時的關斷狀態(tài)(open-base)下，15A SiC BJT的漏電流小于10μA，并且擊穿電壓的典型值是1500V。


圖3 額定電流15 A的1200 V SiC BJT的電流增益、VCESAT和VBESAT

圖4顯示了15A 1200V SiC BJT在IC=12 A和800 V及150℃下的開關測量值，其結果是VCE上升和下降時間在10ns-30ns范圍內。即便在150℃下，關斷性能也無拖尾電流，因為SiC BJT的存儲電荷非常少，可以推動SiC BJT進入深度飽和，而無開關損耗。在通態(tài)(on-state)期間，SiC BJT的快速開關是由于基區(qū)和集電區(qū)中存儲的自由載流子電荷較少，所以可以忽略對開關性能的影響。開關速度只受寄生的基極-集電極和基極-發(fā)射極電容控制，因此證明了開關速度和開關功率損耗極可能與溫度無關。


圖4 在T=150 C與IC=12 A和VCE=800 V下，導通(左)和關斷(右)的開關測量數值

為了實現快速開關，在導通(turn-on)和關斷(turn-off)期間，使用提供高動態(tài)基極電流的驅動電路是非常重要的。圖4中的開關波形包含了不需要的振蕩，它的產生是因為TO-247封裝和測試電路中的寄生電感。通過把SiC BJT芯片封裝在具有最小電感的電源模塊中，并分開用于驅動電路和發(fā)射極間連接的引腳，可以獲得改進的開關性能。

飛兆與Danfoss Silicon Power和德國基爾應用科學大學(University of Applied Sciences Kiel)合作，研制了具有多個并行BJT芯片的原型電源模塊。原型電源模塊包含了兩個引線，有六個并行聯接的50 A SiC BJT芯片和六個反向并聯的50 A SiC肖特基(Schottky)二極管芯片。該電源模塊的尺寸為61 mm x 49 mm，采用環(huán)氧樹脂封裝，采用銀燒結貼片技術。圖5顯示了單引線SiC BJT模塊的IC-VCE 特性曲線。在IC=300 A下，正向壓降VCESAT只有1.0 V。



圖5 使用六個平行50 A 1200 V BJT芯片，采用環(huán)氧樹脂封裝的原型電源模塊的單引線IC-VCE特征曲線

來自SiC BJT的外部器件評估結果是肯定的。仿真結果表明，假如可以用SiC BJT 取代Si IGBT，在PV逆變器中使用1200V器件，升壓轉換器的開關頻率可以從16 kHz提高到64kHz，而不會增加總的功率損耗。使用SiC BJT和SiC肖特基二極管的完全基于SiC的電源模塊技術，對于光伏逆變器和高端馬達驅動，能夠提高效率和增加開關頻率。我們提供驅動電路指南和應用指南以支持SiC BJT技術，為客戶提供改進能源效率的解決方案。也提供采用特殊金屬TO-258封裝的SiC BJT，目標為高溫電力電子設備應用，比如石油和天然氣鉆探及航空。