新型電力電子器件—碳化硅

1、新型電力電子器件新型電力電子器件碳化硅器件碳化硅器件一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件，應(yīng)當(dāng)具有下列理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，能導(dǎo)通高的電流密度并具有低的導(dǎo)阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，能導(dǎo)通高的電流密度并具有低的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間，能承受高的通壓降；在開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間，能承受高的d di i/ /d dt t和和d du u/ /d dt t，具有低的開關(guān)損耗；運(yùn)行時(shí)具有全控功能和良好的溫度特性。自，具有低的開關(guān)損耗；運(yùn)行時(shí)具有全控功能和良好的溫度特性

2、。自2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代年代硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究工作者為達(dá)到上述理想目標(biāo)已取得了世人矚目的成就。早期的大功率變流器，如牽引變流器，幾想目標(biāo)已取得了世人矚目的成就。早期的大功率變流器，如牽引變流器，幾乎都是基于晶閘管的。到了乎都是基于晶閘管的。到了8080年代中期年代中期，4.5kV4.5kV的可關(guān)斷晶閘管的可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO)得到廣得到廣泛應(yīng)用，并成為在接下來的泛應(yīng)用，并成為在接下來的1010年內(nèi)大功率變流器的首選器件，一直到絕緣柵年內(nèi)大功率變流器的首選器件，一直到絕緣柵雙極型晶體管雙極型晶體管(IG

3、BT)(IGBT)的阻斷電壓達(dá)到的阻斷電壓達(dá)到3.3kV3.3kV之后，這個(gè)局面才得到改變。之后，這個(gè)局面才得到改變。與與此同時(shí)此同時(shí)，對(duì)，對(duì)GTOGTO技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)致了集成門極換流晶閘管技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)導(dǎo)致了集成門極換流晶閘管(IGCT)(IGCT)的問世，的問世，它顯示出比傳統(tǒng)它顯示出比傳統(tǒng)GTOGTO更加顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前的更加顯著的優(yōu)點(diǎn)。目前的GTOGTO開關(guān)頻率大概為開關(guān)頻率大概為500Hz500Hz，由，由于開關(guān)性能的提高，于開關(guān)性能的提高，IGCTIGCT和大功率和大功率IGBTIGBT的開通和關(guān)斷損耗都相對(duì)較低，因此的開通和關(guān)斷損耗都相對(duì)較低，因此可以工作在可以工作在13k

4、Hz13kHz的開關(guān)頻率下。至的開關(guān)頻率下。至20052005年年，以晶閘管為代表的半控型器件，以晶閘管為代表的半控型器件已達(dá)到已達(dá)到70MW/9000V70MW/9000V的水平，全控器件也發(fā)展到了非常高的水平。當(dāng)前，硅基的水平，全控器件也發(fā)展到了非常高的水平。當(dāng)前，硅基電力電子器件的水平基本上穩(wěn)定在電力電子器件的水平基本上穩(wěn)定在10 -10 10 -10 WHzWHz左右，已逼近了由于寄生左右，已逼近了由于寄生二極管制約而能達(dá)到的硅材料極限。二極管制約而能達(dá)到的硅材料極限。109 由于傳統(tǒng)的硅基電力電子器件已經(jīng)逼近了因寄生二極管制約由于傳統(tǒng)的硅基電力電子器件已經(jīng)逼近了因寄生二極管制約而能達(dá)

5、到的硅材料極限，為突破目前的器件極限，有兩大技術(shù)發(fā)而能達(dá)到的硅材料極限，為突破目前的器件極限，有兩大技術(shù)發(fā)展方向：一是采用各種新的器件結(jié)構(gòu)；二是采用寬能帶間隙材料展方向：一是采用各種新的器件結(jié)構(gòu)；二是采用寬能帶間隙材料的半導(dǎo)體器件，如碳化硅的半導(dǎo)體器件，如碳化硅(SiC)或氮化鎵或氮化鎵(GaN)器件。器件。 SiC是是IV-IV族二元化合物半導(dǎo)體材料族二元化合物半導(dǎo)體材料,也是元素周期表中也是元素周期表中IV族族元素中唯一的一種固態(tài)碳化物。元素中唯一的一種固態(tài)碳化物。SiC由碳原子和硅原子組成由碳原子和硅原子組成,但其但其晶體結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)多型體的特點(diǎn)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常用的是晶體結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)多

6、型體的特點(diǎn)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常用的是 4H -SiC和和6H-SiC兩種兩種,SiC與其它半導(dǎo)體材料具有相似的特性與其它半導(dǎo)體材料具有相似的特性,4H-SiC的飽和電子漂移速度是的飽和電子漂移速度是Si的兩倍的兩倍,從而為從而為SiC器件提供了較高的電器件提供了較高的電流密度和較高的跨導(dǎo)。高擊穿特性使流密度和較高的跨導(dǎo)。高擊穿特性使SiC功率器件和開關(guān)器件具功率器件和開關(guān)器件具有較有較Si和和GaAs器件高器件高3一一4倍的擊穿電壓倍的擊穿電壓,高的熱導(dǎo)率和耐高溫特性高的熱導(dǎo)率和耐高溫特性保證了保證了SiC器件具有較高的功率密度及高溫工作的可靠性。器件具有較高的功率密度及高溫工作的可靠性。碳化硅

7、性質(zhì)Johnson Johnson 優(yōu)良指數(shù)優(yōu)良指數(shù)(JFM)(JFM)表示器件高功率、表示器件高功率、高頻率性能的基本限制高頻率性能的基本限制 KFM KFM 表示基于體管開關(guān)速度的優(yōu)良指數(shù)表示基于體管開關(guān)速度的優(yōu)良指數(shù)質(zhì)量因子質(zhì)量因子 1(QF1)1(QF1)表示電力電子器件中有源表示電力電子器件中有源器件面積和散熱材料的優(yōu)良指數(shù)器件面積和散熱材料的優(yōu)良指數(shù)QF2QF2則表示理想散熱器下的優(yōu)良指數(shù)則表示理想散熱器下的優(yōu)良指數(shù)QF3 QF3 表示對(duì)散熱器及其幾何形態(tài)不加任何假表示對(duì)散熱器及其幾何形態(tài)不加任何假設(shè)狀況下的優(yōu)良指數(shù)設(shè)狀況下的優(yōu)良指數(shù)BaligaBaliga 優(yōu)良指數(shù)優(yōu)良指數(shù) BH

8、FM BHFM 表示器件高頻應(yīng)用表示器件高頻應(yīng)用時(shí)的優(yōu)良指數(shù)。時(shí)的優(yōu)良指數(shù)。碳化硅功率二極管碳化硅功率二極管碳化硅碳化硅 MOSFET MOSFET 器件器件碳化硅碳化硅 IGBTIGBT碳化硅晶閘管碳化硅晶閘管碳化硅電力電子器件碳化硅電力電子器件碳化硅功率二極管碳化硅功率二極管 碳化硅功率二極管有碳化硅功率二極管有 3 種類型：肖特基二極管種類型：肖特基二極管(SBD)、PiN 二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管(JBS)。在。在5kV阻斷電阻斷電壓以下的范圍，碳化硅結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管是較好的選擇。壓以下的范圍，碳化硅結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管是較好的選擇。JBS 二極管結(jié)

9、合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性二極管結(jié)合了肖特基二極管所擁有的出色的開關(guān)特性和和 PiN 結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。把結(jié)二極管所擁有的低漏電流的特點(diǎn)。把JBS二極管結(jié)二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合構(gòu)參數(shù)和制造工藝稍作調(diào)整就可以形成混合PiN-肖特基結(jié)肖特基結(jié)二極管二極管(MPS)。由于碳化硅二極管基本工作在單極型狀態(tài)。由于碳化硅二極管基本工作在單極型狀態(tài)下，反向恢復(fù)電荷量基本為零，可以大幅度地減少二極管下，反向恢復(fù)電荷量基本為零，可以大幅度地減少二極管反向恢復(fù)引起的自身瞬態(tài)損耗以及相關(guān)的反向恢復(fù)引起的自身瞬態(tài)損耗以及相關(guān)的 IGBT開通瞬態(tài)損開通瞬態(tài)損耗，非常適用

10、于開關(guān)頻率較高的電路。耗，非常適用于開關(guān)頻率較高的電路。 PiN 結(jié)二極管在結(jié)二極管在45 kV 或者以上的電壓時(shí)具有或者以上的電壓時(shí)具有優(yōu)勢(shì)，由于其內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的優(yōu)勢(shì)，由于其內(nèi)部的電導(dǎo)調(diào)制作用而呈現(xiàn)出較低的導(dǎo)通電阻，使得它比較適用于高電壓應(yīng)用場(chǎng)合。有導(dǎo)通電阻，使得它比較適用于高電壓應(yīng)用場(chǎng)合。有文獻(xiàn)報(bào)道阻斷電壓為文獻(xiàn)報(bào)道阻斷電壓為14.9和和19.5 kV 的超高壓的超高壓 PiN二二極管，其正向和反向?qū)ㄌ匦匀鐖D極管，其正向和反向?qū)ㄌ匦匀鐖D 2 所示，在電流所示，在電流密度為密度為100 A/cm2 時(shí)，其正向壓降分別僅為時(shí)，其正向壓降分別僅為4.4和和 6.5 V。這種

11、高壓的。這種高壓的 PiN 二極管在電力系統(tǒng)，特別是高壓二極管在電力系統(tǒng)，特別是高壓直流輸電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。直流輸電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。碳化硅碳化硅 MOSFET MOSFET 器件器件 功率功率 MOSFET 具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)具有理想的柵極絕緣特性、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，在硅基器件中，功率性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性，在硅基器件中，功率 MOSFET 獲得巨大成功。同樣，碳化硅獲得巨大成功。同樣，碳化硅 MOSFE 也是最受矚也是最受矚目的碳化硅功率開關(guān)器件，其最明顯的優(yōu)點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)電路目的碳化硅功率開關(guān)器件，其最明顯的優(yōu)點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)電路非常簡(jiǎn)單及與現(xiàn)

12、有的功率器件非常簡(jiǎn)單及與現(xiàn)有的功率器件(硅功率硅功率 MOSFET 和和 IGBT)驅(qū)驅(qū)動(dòng)電路的兼容性。碳化硅功率動(dòng)電路的兼容性。碳化硅功率 MOSFET 面臨的兩個(gè)主要挑面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長(zhǎng)期可靠性問題和溝道電阻問題。隨著碳化戰(zhàn)是柵氧層的長(zhǎng)期可靠性問題和溝道電阻問題。隨著碳化硅硅 MOSFET 技術(shù)的進(jìn)步，高性能的碳化硅技術(shù)的進(jìn)步，高性能的碳化硅 MOSFET 也被研也被研發(fā)出來，已有研究結(jié)果報(bào)道了具有較大的電壓電流能力的發(fā)出來，已有研究結(jié)果報(bào)道了具有較大的電壓電流能力的碳化硅碳化硅 MOSFET器件。器件。 三菱公司報(bào)道的三菱公司報(bào)道的 1.2 kV 碳化硅碳化硅 MOSFET

13、器件的導(dǎo)通器件的導(dǎo)通比電阻為比電阻為 5 mcm2，比硅基的，比硅基的CoolMOS的性能指數(shù)好的性能指數(shù)好 1520 倍。美國(guó)倍。美國(guó) Cree 公司報(bào)道了公司報(bào)道了 8.1 mm*8.1 mm、阻斷、阻斷電壓電壓 10 kV、電流、電流 20 A 的碳化硅的碳化硅 MOSFET 芯片，其正向芯片，其正向阻斷特性如圖阻斷特性如圖 3 所示。通過并聯(lián)這樣的芯片得到的模塊所示。通過并聯(lián)這樣的芯片得到的模塊可以具備可以具備 100 A 的電流傳輸能力。該器件在的電流傳輸能力。該器件在 20 V 的柵壓的柵壓下的通態(tài)比電阻為下的通態(tài)比電阻為 127 mcm2，同時(shí)具有較好的高溫，同時(shí)具有較好的高溫特

14、性，在特性，在200 條件下，零柵壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)阻斷條件下，零柵壓時(shí)可以實(shí)現(xiàn)阻斷 10 kV 電壓。在碳化硅電壓。在碳化硅 MOSFET 的可靠性研究方面，有研究報(bào)的可靠性研究方面，有研究報(bào)道了在道了在 350 下碳化硅柵氧層具有良好的可靠性。下碳化硅柵氧層具有良好的可靠性。碳化硅碳化硅 IGBTIGBT 在碳化硅在碳化硅 MOSFET器件中，其通態(tài)電阻隨著阻斷電壓的器件中，其通態(tài)電阻隨著阻斷電壓的上升而迅速增加。在高壓領(lǐng)域，碳化硅上升而迅速增加。在高壓領(lǐng)域，碳化硅 IGBT 器件將具有明器件將具有明顯的優(yōu)勢(shì)。由于受到工藝技術(shù)的制約，碳化硅顯的優(yōu)勢(shì)。由于受到工藝技術(shù)的制約，碳化硅 IGBT 的起

15、步的起步較晚，高壓碳化硅較晚，高壓碳化硅 IGBT 面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一個(gè)挑戰(zhàn)與碳化面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：第一個(gè)挑戰(zhàn)與碳化硅硅 MOSFET 器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷器件相同，溝道缺陷導(dǎo)致的可靠性以及低電子遷移率問題；第二個(gè)挑戰(zhàn)是移率問題；第二個(gè)挑戰(zhàn)是N 型型 IGBT 需要需要 P 型襯底，而型襯底，而 P 型襯型襯底的電阻率比底的電阻率比N 型襯底的電阻率高型襯底的電阻率高 50 倍。因此，倍。因此， 1999 年制年制成的第一個(gè)成的第一個(gè) IGBT 采用了采用了 P 型襯底。經(jīng)過多年的研發(fā)，逐步型襯底。經(jīng)過多年的研發(fā)，逐步克服了克服了 P 型襯底的電阻問題，型襯底的電阻問題， 2

16、008 年報(bào)道了年報(bào)道了13 kV 的的 N 溝道溝道碳化硅碳化硅 IGBT 器件，比導(dǎo)通電阻達(dá)到器件，比導(dǎo)通電阻達(dá)到 22 mcm2。 圖圖 5 對(duì)對(duì) 15 kV 的的 N-IGBT 和和MOSFET 的正向?qū)芰ψ隽说恼驅(qū)芰ψ隽艘粋€(gè)比較，結(jié)果顯示，在結(jié)一個(gè)比較，結(jié)果顯示，在結(jié) 溫溫 為為 300 K 時(shí)，在芯片時(shí)，在芯片 功耗密功耗密度為度為200 W/cm2 以下的條件下，以下的條件下， MOSFET 可以獲得更大的可以獲得更大的電流密度，而在更高的功耗密度條件下，電流密度，而在更高的功耗密度條件下， IGBT可以獲得更可以獲得更大的電流密度。大的電流密度。 但是在結(jié)溫為但是在結(jié)

17、溫為 127 時(shí)，時(shí)，IGBT 在功耗密度在功耗密度為導(dǎo)通比為導(dǎo)通比 MOSFET 更高的電流密度。同一年，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)更高的電流密度。同一年，該團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了阻斷電壓達(dá)到道了阻斷電壓達(dá)到 12 kV 的的 P 溝道碳化硅溝道碳化硅IGBT，導(dǎo)通比電阻，導(dǎo)通比電阻達(dá)到達(dá)到 14 mcm2。新型高溫高壓碳化硅。新型高溫高壓碳化硅 IGBT 器件將對(duì)大功器件將對(duì)大功率應(yīng)用，特別是電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重大的影響。在率應(yīng)用，特別是電力系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生重大的影響。在15 kV 以上的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅以上的應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅 IGBT 綜合了功耗低和開關(guān)速度快綜合了功耗低和開關(guān)速度快的特點(diǎn)，的特點(diǎn)， 相對(duì)于碳化硅的

18、相對(duì)于碳化硅的 MOSFET以及硅基的以及硅基的 IGBT、晶閘、晶閘管等器件具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別適用于高壓電力系統(tǒng)管等器件具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別適用于高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)用領(lǐng)域。碳化硅晶閘管碳化硅晶閘管 在大功率的工頻開關(guān)應(yīng)用中，比如高壓直流輸電在大功率的工頻開關(guān)應(yīng)用中，比如高壓直流輸電(HVDC)、動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償、超大電流電解等，無功功率補(bǔ)償、超大電流電解等， 晶閘管以其耐壓高、晶閘管以其耐壓高、 通態(tài)壓降通態(tài)壓降小、通態(tài)功耗低而具有較大優(yōu)勢(shì)。對(duì)碳化硅晶閘管的研究主要集小、通態(tài)功耗低而具有較大優(yōu)勢(shì)。對(duì)碳化硅晶閘管的研究主要集中在中在 GTO 上。上。 碳化硅門級(jí)換流晶閘管

19、碳化硅門級(jí)換流晶閘管(SiC GT)的研發(fā)也受到特別的的研發(fā)也受到特別的關(guān)注。關(guān)注。 2006 年有研究報(bào)道了面積為年有研究報(bào)道了面積為 8mm*8 mm 的的 SiCGT 芯片，其芯片，其導(dǎo)通峰值電流高達(dá)導(dǎo)通峰值電流高達(dá)200A。 2010 年報(bào)道了單芯片脈沖電流達(dá)到年報(bào)道了單芯片脈沖電流達(dá)到 2 000A 的的 SiCGT 器件，如圖器件，如圖 6 所示。所示。在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 較之傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)控制設(shè)備而言，現(xiàn)代電力電子裝置具較之傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)控制設(shè)備而言，現(xiàn)代電力電子裝置具有一系列特點(diǎn)：變流、變頻和調(diào)相能力；快速的響應(yīng)性能有一系列特點(diǎn)：變流、變頻和調(diào)相能力；快速的響應(yīng)性能(數(shù)數(shù)ms)

20、；利用極小的功率控制極大功率；可實(shí)現(xiàn)高精度控制；利用極小的功率控制極大功率；可實(shí)現(xiàn)高精度控制(對(duì)于對(duì)于 5060 Hz 系統(tǒng)，器件觸發(fā)相位可精確到系統(tǒng)，器件觸發(fā)相位可精確到 0.1)；變流器體積小、；變流器體積小、重量輕等。因此近年來電力電子技術(shù)在電能的發(fā)生、輸送、分重量輕等。因此近年來電力電子技術(shù)在電能的發(fā)生、輸送、分配和使用都得到了廣泛的應(yīng)用，但是與其它應(yīng)用領(lǐng)域相比，電配和使用都得到了廣泛的應(yīng)用，但是與其它應(yīng)用領(lǐng)域相比，電力系統(tǒng)要求電力電子裝置具有更高的電壓，更大的功率容量和力系統(tǒng)要求電力電子裝置具有更高的電壓，更大的功率容量和更高的可靠性。由于在電壓、功率耐量方面的限制，上述這些更高的可

21、靠性。由于在電壓、功率耐量方面的限制，上述這些硅基大功率器件不得不采用器件串、并聯(lián)技術(shù)和復(fù)雜的電路拓硅基大功率器件不得不采用器件串、并聯(lián)技術(shù)和復(fù)雜的電路拓?fù)鋪磉_(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，導(dǎo)致裝置的故障率和成本大大增加，撲來達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，導(dǎo)致裝置的故障率和成本大大增加，制約了現(xiàn)代電力電子技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。制約了現(xiàn)代電力電子技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。 作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅因其出色的物理及電作為一種新型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，碳化硅因其出色的物理及電特性，正越來越受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。碳化硅電力電子器件的重要特性，正越來越受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。碳化硅電力電子器件的重要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

22、在于具有高壓系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于具有高壓(達(dá)數(shù)萬伏達(dá)數(shù)萬伏)高溫高溫(大于大于 500 )特性，突破了硅特性，突破了硅基功率半導(dǎo)體器件電壓基功率半導(dǎo)體器件電壓(數(shù)數(shù) kV)和溫度和溫度(小于小于 150 )限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重限制所導(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)步，各種碳化硅功率器件被研系統(tǒng)局限性。隨著碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)步，各種碳化硅功率器件被研發(fā)出來，由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響，碳化硅功率器件率先發(fā)出來，由于受成本、產(chǎn)量以及可靠性的影響，碳化硅功率器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級(jí)在在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前的商業(yè)產(chǎn)品電壓等級(jí)在 6001 700 V。 隨著技術(shù)

23、的進(jìn)步，高壓碳化硅器件已經(jīng)問世，并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅器隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓碳化硅器件已經(jīng)問世，并持續(xù)在替代傳統(tǒng)硅器件的道路上取得進(jìn)步。隨著高壓碳化硅功率器件的發(fā)展，已經(jīng)研發(fā)出件的道路上取得進(jìn)步。隨著高壓碳化硅功率器件的發(fā)展，已經(jīng)研發(fā)出了了 19.5 kV 的碳化硅二極管，的碳化硅二極管， 3.1 kV和和 4.5 kV 的門極可關(guān)斷晶閘管的門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，10 kV 的碳化硅的碳化硅 MOSFET和和 1315 kV碳化硅碳化硅IGBT 等。它們的研等。它們的研發(fā)成功以及未來可能的產(chǎn)業(yè)化，將在電力系統(tǒng)中的高壓領(lǐng)域開辟全新發(fā)成功以及未來可能的產(chǎn)業(yè)化，將在電力系統(tǒng)中的高壓領(lǐng)域開辟全新的應(yīng)

24、用，對(duì)電力系統(tǒng)的變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。的應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)的變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。固態(tài)變壓器固態(tài)變壓器柔性交流輸電柔性交流輸電靜止無功補(bǔ)償靜止無功補(bǔ)償高壓直流輸電高壓直流輸電固態(tài)變壓器固態(tài)變壓器 隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)技術(shù)以及可再生能源的發(fā)展，固隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)技術(shù)以及可再生能源的發(fā)展，固態(tài)變壓器作為其中的關(guān)鍵技術(shù)受到廣泛關(guān)注。固態(tài)變壓器技術(shù)被態(tài)變壓器作為其中的關(guān)鍵技術(shù)受到廣泛關(guān)注。固態(tài)變壓器技術(shù)被 MIT Technology Review 選選 為為 2011 年年 的的 Top Ten Emerging Technology。 固態(tài)變壓器是一種以電力電子技術(shù)為核心的變電裝置，

25、它通過電固態(tài)變壓器是一種以電力電子技術(shù)為核心的變電裝置，它通過電力電子變流器和高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞及力電子變流器和高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞及控制，以取代電力系統(tǒng)中的傳統(tǒng)的工頻變壓器。與傳統(tǒng)電力變壓器相控制，以取代電力系統(tǒng)中的傳統(tǒng)的工頻變壓器。與傳統(tǒng)電力變壓器相比，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有傳統(tǒng)變壓器所不具備的諸比，具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有傳統(tǒng)變壓器所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，包括供電質(zhì)量高、功率因數(shù)高、自動(dòng)限流、具備無功補(bǔ)償能多優(yōu)點(diǎn)，包括供電質(zhì)量高、功率因數(shù)高、自動(dòng)限流、具備無功補(bǔ)償能力、頻率變換、輸出相數(shù)變換以及便于自動(dòng)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。力、頻

26、率變換、輸出相數(shù)變換以及便于自動(dòng)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。 將固態(tài)變壓器應(yīng)用到電力系統(tǒng)后，將會(huì)給電力系統(tǒng)帶來許多新的將固態(tài)變壓器應(yīng)用到電力系統(tǒng)后，將會(huì)給電力系統(tǒng)帶來許多新的特點(diǎn)，有助于解決電力系統(tǒng)中所面臨的許多問題。固態(tài)變壓器的輸入特點(diǎn)，有助于解決電力系統(tǒng)中所面臨的許多問題。固態(tài)變壓器的輸入側(cè)電壓等級(jí)非常高，一般在數(shù)千至數(shù)萬伏，目前多采用拓?fù)浠蚱骷畟?cè)電壓等級(jí)非常高，一般在數(shù)千至數(shù)萬伏，目前多采用拓?fù)浠蚱骷?lián)的方式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖聯(lián)的方式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖 7 所示為所示為 10 kVA的固態(tài)變壓器示意圖的固態(tài)變壓器示意圖 。 目前在世界上對(duì)固態(tài)變壓器的研究主要包括：歐盟的目前在世界上對(duì)固態(tài)變壓器的研究

27、主要包括：歐盟的 UNIFLEX-PM(未來電網(wǎng)通用靈活電能管理先進(jìn)功率變流器未來電網(wǎng)通用靈活電能管理先進(jìn)功率變流器)項(xiàng)目，每相采用項(xiàng)目，每相采用 4 個(gè)個(gè) H 橋串聯(lián)來承受橋串聯(lián)來承受 1.9 kV 電壓；美國(guó)電壓；美國(guó) FREEDM(未來可再生能源利用未來可再生能源利用和分配管理中心和分配管理中心 )的第一代固態(tài)變壓器采用的第一代固態(tài)變壓器采用6.5 kV 的的 HV-IGBT， 每相每相 3 個(gè)個(gè) H 橋串聯(lián)來承受橋串聯(lián)來承受 7.2 kV電壓；第二代固態(tài)變壓器將基于電壓；第二代固態(tài)變壓器將基于 15 kV 的的碳化硅碳化硅MOSFET，不再使用器件或拓?fù)浯?lián)，開關(guān)頻率有望從原來的，不再

28、使用器件或拓?fù)浯?lián)，開關(guān)頻率有望從原來的 1kHz 提升到提升到 20 kHz。新興的碳化硅電力電子器件，特別是。新興的碳化硅電力電子器件，特別是 15kV以上以上碳化硅碳化硅 MOSFET、IGBT 的出現(xiàn)，將有利于固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及的出現(xiàn)，將有利于固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及可靠性提升?？煽啃蕴嵘Ｈ嵝越涣鬏旊娤到y(tǒng)柔性交流輸電系統(tǒng) 電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，促成了近年來交流電網(wǎng)中的一個(gè)前沿領(lǐng)電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，促成了近年來交流電網(wǎng)中的一個(gè)前沿領(lǐng)域域柔性交流輸電系統(tǒng)柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的誕生。的誕生。FACTS 是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代是指電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)結(jié)合，控制技術(shù)結(jié)合

29、， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電系統(tǒng)電壓、相位角、品質(zhì)、功率潮流以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流輸電系統(tǒng)電壓、相位角、品質(zhì)、功率潮流的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定的連續(xù)調(diào)節(jié)控制，從而大幅度提高輸電線路輸送能力和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，降低輸電損耗。水平，降低輸電損耗。 FACTS 技術(shù)中的核心是各種以電力電子技術(shù)或者其他靜止設(shè)備為基礎(chǔ)技術(shù)中的核心是各種以電力電子技術(shù)或者其他靜止設(shè)備為基礎(chǔ)的的 FACTS 控制器，對(duì)控制器，對(duì) AC 輸電系統(tǒng)的一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效控制，使輸電系統(tǒng)的一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效控制，使得原先基本不可控的輸電網(wǎng)變得可以全面控制，以達(dá)到電力系統(tǒng)安全、可得原先基本不可控

30、的輸電網(wǎng)變得可以全面控制，以達(dá)到電力系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?？亢徒?jīng)濟(jì)運(yùn)行。 FACTS 技術(shù)及其控制器是隨著電力電子技術(shù)及其功率器件的發(fā)展而發(fā)技術(shù)及其控制器是隨著電力電子技術(shù)及其功率器件的發(fā)展而發(fā)展的。由于輸電網(wǎng)高壓、大功率的特性，展的。由于輸電網(wǎng)高壓、大功率的特性， FACTS 技術(shù)主要采用晶閘管、技術(shù)主要采用晶閘管、GTO、 IGBT 等器件，隨著等器件，隨著 IGCT 器件的發(fā)展，可以用器件的發(fā)展，可以用 IGCT 器件代替器件代替 GTO 器器件實(shí)現(xiàn)新型的電壓源變流器，不僅實(shí)現(xiàn)更高的耐壓，而且可以切換件實(shí)現(xiàn)新型的電壓源變流器，不僅實(shí)現(xiàn)更高的耐壓，而且可以切換 45 kA的電流。由于硅

31、器件自身物理限制，在更高電壓等級(jí)或者功率等級(jí)的的電流。由于硅器件自身物理限制，在更高電壓等級(jí)或者功率等級(jí)的 FACTS 控制器的應(yīng)用，仍然受到制約。碳化硅功率器件固有的高耐壓特性，控制器的應(yīng)用，仍然受到制約。碳化硅功率器件固有的高耐壓特性，隨著其器件水平的不斷發(fā)展，在隨著其器件水平的不斷發(fā)展，在 FACTS技術(shù)中必然越來越受到重視。技術(shù)中必然越來越受到重視。靜止無功補(bǔ)償器靜止無功補(bǔ)償器 靜靜 態(tài)態(tài) 同同 步步 補(bǔ)補(bǔ) 償償 器器 (STATCOM)是一種重要的柔性交是一種重要的柔性交流輸電系統(tǒng)控制器，流輸電系統(tǒng)控制器， 用于潮流控制、用于潮流控制、 無功補(bǔ)償和提高系無功補(bǔ)償和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，具有

32、體積小、響應(yīng)速度快以及連續(xù)可調(diào)等優(yōu)統(tǒng)穩(wěn)定性，具有體積小、響應(yīng)速度快以及連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)。 基基 于于 二二 電電 平平 電電 壓壓 源源 逆逆 變變 器器 (VSC)的的 STATCOM 盡盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要高壓大功率的電力電子器件，目前管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要高壓大功率的電力電子器件，目前的硅器件尚不能滿足這種高壓大容量輸電系統(tǒng)要求。因的硅器件尚不能滿足這種高壓大容量輸電系統(tǒng)要求。因此，通常需要將多個(gè)逆變器通過變壓器此，通常需要將多個(gè)逆變器通過變壓器(多重化技術(shù)多重化技術(shù))或或者多電平技術(shù)進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。者多電平技術(shù)進(jìn)行組合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求。 目前目前 STATCOM 多采用多采用

33、GTO、 IGBT 及及 IGCT等全控型器等全控型器件作為開關(guān)。件作為開關(guān)。 如如 IGCT 其耐壓可達(dá)其耐壓可達(dá) 6.5 kV，通斷電流可達(dá)，通斷電流可達(dá) 4 000 A。但在輸電系統(tǒng)中，其電壓電流等級(jí)仍然偏小，需要。但在輸電系統(tǒng)中，其電壓電流等級(jí)仍然偏小，需要依靠多電平拓?fù)浠蚱骷?lián)，來提高耐壓能力。依靠多電平拓?fù)浠蚱骷?lián)，來提高耐壓能力。 第一個(gè)第一個(gè) STATCOM 于于 1986 年由美國(guó)西屋公司和年由美國(guó)西屋公司和 EPRI 共共 同同 開開 發(fā)發(fā) ，容，容 量量 電電 壓壓 等等 級(jí)級(jí) 為為 1 Mvar/13.2 kV，基于，基于 GTO 器件，采用二重化變壓器耦合。目前最

34、大的器件，采用二重化變壓器耦合。目前最大的 STATCOM 于于 1997 年由美國(guó)西屋公司和年由美國(guó)西屋公司和 EPRI 共同開發(fā)，容量為共同開發(fā)，容量為320 Mvar，采用三電平八重化技術(shù)，電壓等級(jí)為采用三電平八重化技術(shù)，電壓等級(jí)為 138 kV，采用的，采用的 GTO 器件為器件為 4.5 kV/4 kA。我國(guó)在。我國(guó)在 1999 年基于年基于 4.5 kV/4 kA的的 GTO 器件，自主研發(fā)了器件，自主研發(fā)了20 Mvar STATCOM，采用兩電平四重化，采用兩電平四重化變壓器耦合結(jié)構(gòu)。變壓器耦合結(jié)構(gòu)。 2006 年，又自主研發(fā)了基于年，又自主研發(fā)了基于 IGCT 器件器件的的5

35、0 Mvar 的的 STATCOM。 圖圖 8 所示是由直流電壓源、基所示是由直流電壓源、基于于GTO 的逆變器和連接變壓器組成的的逆變器和連接變壓器組成的 STATCOM 示意圖。示意圖。 隨著未來高壓碳化硅隨著未來高壓碳化硅 IGBT、 GTO 等的研發(fā)成功，等的研發(fā)成功， STATCOM 的結(jié)的結(jié)構(gòu)可以大大簡(jiǎn)化，同時(shí)，由于開關(guān)頻率的提高，電能質(zhì)量也將得到提構(gòu)可以大大簡(jiǎn)化，同時(shí)，由于開關(guān)頻率的提高，電能質(zhì)量也將得到提升。在風(fēng)電和太陽(yáng)能等可再生能源一體化方面，無變壓器升。在風(fēng)電和太陽(yáng)能等可再生能源一體化方面，無變壓器STATCOM 將將成為現(xiàn)實(shí)和得到有效應(yīng)用。成為現(xiàn)實(shí)和得到有效應(yīng)用。直流輸電

36、技術(shù)直流輸電技術(shù) 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是晶閘管的出現(xiàn)，使得采用晶隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是晶閘管的出現(xiàn)，使得采用晶閘管的高壓直流輸電技術(shù)得以迅速發(fā)展，其電壓等級(jí)已從閘管的高壓直流輸電技術(shù)得以迅速發(fā)展，其電壓等級(jí)已從 500 kV 提高到提高到 800 kV。2010 年我國(guó)成功投運(yùn)了世界首個(gè)年我國(guó)成功投運(yùn)了世界首個(gè) 800 kV/4 750 A 特高壓直流輸電工程，特高壓直流輸電工程， 圖圖 9 所示為特高壓直流換流閥，其核心是所示為特高壓直流換流閥，其核心是6英寸的高壓晶閘管。目前我國(guó)正在開展英寸的高壓晶閘管。目前我國(guó)正在開展1 100 kV 的特高壓直流輸?shù)奶馗邏褐绷鬏旊娂夹g(shù)的

37、研發(fā)。電技術(shù)的研發(fā)。 1100kV的特高壓直流輸電技術(shù)的研發(fā)。由于換流閥工作時(shí)承受的特高壓直流輸電技術(shù)的研發(fā)。由于換流閥工作時(shí)承受高達(dá)幾百高達(dá)幾百kV的電壓，以及高達(dá)幾千的電壓，以及高達(dá)幾千A的電流，所以傳統(tǒng)的硅基晶閘的電流，所以傳統(tǒng)的硅基晶閘管換流閥需要面對(duì)眾多元件串聯(lián)和導(dǎo)通損耗大的問題。隨著碳化硅管換流閥需要面對(duì)眾多元件串聯(lián)和導(dǎo)通損耗大的問題。隨著碳化硅電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，更大容量、更高工作溫度和更高功率密電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，更大容量、更高工作溫度和更高功率密度的新型碳化硅度的新型碳化硅SiCGT、GTO的開發(fā)，使得單個(gè)器件的耐壓性能得到的開發(fā)，使得單個(gè)器件的耐壓性能得到提高，不僅

38、顯著降低所需的電力電子器件的數(shù)量，簡(jiǎn)化換流閥的結(jié)提高，不僅顯著降低所需的電力電子器件的數(shù)量，簡(jiǎn)化換流閥的結(jié)構(gòu)，同時(shí)顯著降低損耗，為高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造更好的條構(gòu)，同時(shí)顯著降低損耗，為高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造更好的條件。件。 輕型直流輸電技術(shù)是在高壓直流輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新輕型直流輸電技術(shù)是在高壓直流輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是直流輸電兩端變流器采用可關(guān)斷器件構(gòu)成電壓源逆變技術(shù)，其特點(diǎn)是直流輸電兩端變流器采用可關(guān)斷器件構(gòu)成電壓源逆變器，不存在換相失敗、受端系統(tǒng)必須提供無功容量的問題，而且可以器，不存在換相失敗、受端系統(tǒng)必須提供無功容量的問題，而且可以省去換流變壓器，

39、簡(jiǎn)化換流站結(jié)構(gòu)。受制于可關(guān)斷硅器件水平的制約，省去換流變壓器，簡(jiǎn)化換流站結(jié)構(gòu)。受制于可關(guān)斷硅器件水平的制約，其輸電容量通常較小。圖其輸電容量通常較小。圖 10 是輕型直流輸電中由是輕型直流輸電中由 IGBT 構(gòu)成的電壓源構(gòu)成的電壓源型換流器，利用脈寬調(diào)制型換流器，利用脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)進(jìn)行無源逆變，不但可以向無技術(shù)進(jìn)行無源逆變，不但可以向無交流電源的負(fù)荷點(diǎn)送電，在特殊情況下也可以提供無功功率?；诮涣麟娫吹呢?fù)荷點(diǎn)送電，在特殊情況下也可以提供無功功率。基于 VSC (電壓源換流器電壓源換流器)的輕型直流輸電技術(shù)在可再生能源并網(wǎng)、分布式的輕型直流輸電技術(shù)在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電并網(wǎng)、孤島

40、供電、城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。發(fā)電并網(wǎng)、孤島供電、城市電網(wǎng)供電等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 隨著碳化硅隨著碳化硅 MOSFET/IGBT 等器件性能、電壓等級(jí)和功等器件性能、電壓等級(jí)和功率等級(jí)的提高，碳化硅電力電子器件在輕型直流輸電系統(tǒng)率等級(jí)的提高，碳化硅電力電子器件在輕型直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，有望進(jìn)一步提高其輸電容量及適用電壓等級(jí)，中的應(yīng)用，有望進(jìn)一步提高其輸電容量及適用電壓等級(jí)，為輕型直流輸電的應(yīng)用拓展帶來新的機(jī)遇。為輕型直流輸電的應(yīng)用拓展帶來新的機(jī)遇。碳化硅產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀碳化硅產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀 碳化硅器件價(jià)格趨勢(shì)為：碳化硅二極管目前是硅肖特基二極碳化硅器件價(jià)格趨勢(shì)為：碳化硅二極管目前是硅肖特基

41、二極管價(jià)格的管價(jià)格的 57 倍；倍； 碳化硅碳化硅 JFET 是硅是硅 MOSFET 價(jià)格的價(jià)格的 47 倍；碳倍；碳化硅化硅 MOSFET 是硅是硅 MOSFET 價(jià)格的價(jià)格的1015 倍。倍。 SiC電力電子器件中，電力電子器件中，SiC二極管最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。二極管最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2001年德國(guó)年德國(guó)Infineon公司率先推出公司率先推出SiC二極管產(chǎn)品，美國(guó)二極管產(chǎn)品，美國(guó)Cree和意法半導(dǎo)體等廠商和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了電子等投產(chǎn)了SiC二極管。很多企業(yè)在開

42、發(fā)肖特基勢(shì)壘二極管二極管。很多企業(yè)在開發(fā)肖特基勢(shì)壘二極管( (SBD) )和和JBS結(jié)構(gòu)二極管。目前，結(jié)構(gòu)二極管。目前，SiC二極管已經(jīng)存在二極管已經(jīng)存在600V1700V電壓等級(jí)和電壓等級(jí)和50A電流等級(jí)的產(chǎn)品。電流等級(jí)的產(chǎn)品。 目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的最大容量的目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的最大容量的SiC二極管已經(jīng)達(dá)到了二極管已經(jīng)達(dá)到了6500V/1000A的水平。由于的水平。由于SiC開關(guān)管的發(fā)展相對(duì)二極管滯后，當(dāng)前更普遍的做法是開關(guān)管的發(fā)展相對(duì)二極管滯后，當(dāng)前更普遍的做法是將將SiC 二極管和二極管和Si IGBT 和和MOSFET器件封裝在一個(gè)模塊中以形成大功率器件封裝在一個(gè)模塊中以形成大功率開關(guān)組合。

43、目前開關(guān)組合。目前Cree公司、公司、Microsemi公司、公司、Infineon公司、公司、Rohm公司公司的的SiC肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復(fù)二極管，顯肖特基二極管用于變頻或逆變裝置中替換硅基快恢復(fù)二極管，顯著提高了工作頻率和整機(jī)效率。中低壓著提高了工作頻率和整機(jī)效率。中低壓SiC肖特基二極管目前已經(jīng)在高肖特基二極管目前已經(jīng)在高端通訊開關(guān)電源、光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域上產(chǎn)生較大的影響。端通訊開關(guān)電源、光伏并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域上產(chǎn)生較大的影響。SiC二極管實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 SiC肖特基二極管的發(fā)展方向是襯底減薄技術(shù)和肖特基二極管的發(fā)展方向是襯底減薄技術(shù)和Trench JBS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。襯

44、底減薄技術(shù)能夠有效地減小低壓襯底減薄技術(shù)能夠有效地減小低壓SiC肖特基二極管的導(dǎo)通電阻，增肖特基二極管的導(dǎo)通電阻，增強(qiáng)器件浪涌電流能力，減小器件熱阻。強(qiáng)器件浪涌電流能力，減小器件熱阻。Infineon公司于公司于2012年年9月發(fā)月發(fā)布第五代布第五代SiC SBD產(chǎn)品，首次采用襯底減薄技術(shù)。在產(chǎn)品，首次采用襯底減薄技術(shù)。在SiC晶格里，晶格里，JBS結(jié)構(gòu)中離子注入結(jié)構(gòu)中離子注入p阱的深度受到限制（阱的深度受到限制（1um），反偏條件下淺），反偏條件下淺p-n結(jié)結(jié)對(duì)肖特基結(jié)的屏蔽作用不是特別明顯，只有在相鄰對(duì)肖特基結(jié)的屏蔽作用不是特別明顯，只有在相鄰p阱之間的間距阱之間的間距較小時(shí)才能突顯出來，

45、但同時(shí)帶來的正向?qū)系缹挾茸冋?yīng)使較小時(shí)才能突顯出來，但同時(shí)帶來的正向?qū)系缹挾茸冋?yīng)使得正向?qū)▔航碉@著增加。為了解決這一問題，新一代得正向?qū)▔航碉@著增加。為了解決這一問題，新一代SiC肖特基二肖特基二極管的發(fā)展方向是極管的發(fā)展方向是Trench JBS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。Cree公司新一代公司新一代SiC肖特基二極管肖特基二極管同時(shí)采用同時(shí)采用Trench JBS結(jié)構(gòu)和襯底減薄技術(shù)，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和襯底減薄技術(shù)，與傳統(tǒng)的JBS二極管相比，二極管相比，正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（芯片面積減小正反向特性都得到了改善，不僅增加了電流密度（芯片面積減小50%）;也提高了阻斷電壓（提

46、高也提高了阻斷電壓（提高 150V）和雪崩能力。）和雪崩能力。 SiC JFET器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展 碳化硅碳化硅JFET有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點(diǎn)，是目前發(fā)展較有著高輸入阻抗、低噪聲和線性度好等特點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的碳化硅器件之一，并且率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。與快的碳化硅器件之一，并且率先實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。與MOSFET器件相比，器件相比，JFET器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時(shí)器件不存在柵氧層缺陷造成的可靠性問題和載流子遷移率過低的限制，同時(shí)單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，單極性工作特性使其保持了良好的高頻工作能力。另外，JFET器件具有更

47、佳器件具有更佳的高溫工作穩(wěn)定性和可靠性。碳化硅的高溫工作穩(wěn)定性和可靠性。碳化硅JFET器件的門極的結(jié)型結(jié)構(gòu)使得通常器件的門極的結(jié)型結(jié)構(gòu)使得通常JFET的閾值電壓大多為負(fù)，即常通型器件，這對(duì)于電力電子的應(yīng)用極為不利，的閾值電壓大多為負(fù)，即常通型器件，這對(duì)于電力電子的應(yīng)用極為不利，無法與目前通用的驅(qū)動(dòng)電路兼容。美國(guó)無法與目前通用的驅(qū)動(dòng)電路兼容。美國(guó)Semisouth公司和羅格斯大學(xué)通過引公司和羅格斯大學(xué)通過引入溝槽注入式或者臺(tái)面溝槽結(jié)構(gòu)（入溝槽注入式或者臺(tái)面溝槽結(jié)構(gòu)（TI VJFET）的器件工藝，開發(fā)出常斷工作）的器件工藝，開發(fā)出常斷工作狀態(tài)的增強(qiáng)型器件。但是增強(qiáng)型器件往往是在犧牲一定的正向?qū)娮杼匦誀顟B(tài)的增強(qiáng)型器件。但是增強(qiáng)型器件往往是在犧牲一定的正向?qū)娮杼匦缘那闆r