王振民，王鵬飛

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

新一代SiC功率器件及其在逆變焊機中的應用

王振民，王鵬飛

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

目前逆變焊機普遍采用的Si基功率器件的性能已接近由其材料特性決定的理論極限，依靠Si基功率器件繼續(xù)完善和提高逆變焊機性能的潛力已十分有限。SiC是一種革命性的寬禁帶半導體材料，是下一代功率半導體材料的重點發(fā)展方向。介紹了新型SiC材料的特性及其功率器件的類型、原理和特點；對比分析SiC和普通Si基功率器件的性能；在此基礎上探討將SiC功率器件應用于逆變焊機的優(yōu)勢；分析和展望SiC功率器件在新一代逆變焊機中的應用前景。

SiC；逆變焊機；功率器件；寬禁帶半導體

0 前言

焊接作為國家工業(yè)發(fā)展的重要支柱，是提升我國制造業(yè)國際競爭力，成為引領世界制造業(yè)發(fā)展的制造強國，實現(xiàn)“中國制造2025”規(guī)劃的重要一環(huán)。焊機為焊接電弧提供能量，其性能優(yōu)劣直接影響到焊接工藝質量。目前，逆變焊機已成為電焊機的主流成品，并朝著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化等方向發(fā)展[1]。逆變焊機的功率器件（包括MOFET、IGBT、SBD、FRD等）普遍采用Si半導體器件。這些Si功率器件的開關性能已隨其結構設計和制造工藝的完善而接近由其材料特性決定的理論極限，依靠Si功率器件繼續(xù)完善和提高弧焊逆變電源性能的潛力已十分有限，迫切需要依靠新材料來滿足新一代逆變焊機對器件性能的更高要求。

新型半導體材料和器件的研究與突破，常常帶來新的技術革命和新興產業(yè)的發(fā)展。以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體材料擁有傳統(tǒng)Si基半導體材料難以比擬的優(yōu)異性能，在實際應用中能夠給逆變焊機系統(tǒng)注入新的活力，對研制出具備緊湊體積、耐高溫、高功率密度、耐高壓、抗輻射以及高性價比等性能的新一代高性能逆變焊機，推動整個焊接設備的更新?lián)Q代和焊接行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本研究介紹目前已經開始商業(yè)化應用的SiC功率器件的特點、分類以及應用于逆變焊機時的特點與優(yōu)勢，展望了寬禁帶SiC在新一代逆變焊機中的應用和推廣。

1 SiC功率半導體器件發(fā)展現(xiàn)狀

如今，Si材料特性已基本被人們研究透徹，采用Si基功率半導體器件作為逆變電源的功率開關，其性能的提升已到達一個瓶頸。為進一步提高開關電源的效率，并且擁有更高的耐壓和更快的開關速度，引入新的更加優(yōu)良的半導體材料已是當務之急。寬禁帶SiC半導體是一種革命性的電力電子材料，它的帶隙遠大于Si半導體，能夠顯著減少電子跨越的鴻溝，更容易控制電流和減少能源損耗。

2014年，奧巴馬政府宣布正式成立“下一代電力電子制造創(chuàng)新學院”NGPEMII（NextGenerationPower ElectronicsManufacturingInnovationInstitute）；美國能源部將在5年內投資7 000萬美元，推動NGPEMII致力于發(fā)明和制造具有成本競爭力及比現(xiàn)有硅技術強大10倍的WBG半導體電力電子器件[2]。日本政府則將發(fā)展SiC半導體技術列入“首相計劃”，日本產業(yè)技術綜合研究所、京都大學、電力中央研究所以及一些大型日企在SiC方面開展了大量研究工作，并且推出了系列SiC產品[3]。歐盟的SiC晶體生長工藝裝備制造商集中在德國、瑞典和英國，目前主要生產3英寸的工藝裝備；英國軍方推出了Sceptre計劃；德國英飛凌、SiCED等公司也在SiC產品方面占據(jù)一定市場[4]。

在國內，為了打破技術封鎖，我國早在2004年就啟動了與寬禁帶半導體相關的“973”“國家重大基礎項目研究”等科研項目，由中國電子科技集團公司、中科院等研究所以及國內相關高校參與了相關材料與器件研究工作，在SiC器件工藝與產品鏈等方面均取得了良好的成效[5]。

1.1 SiC材料特性

作為一種寬禁帶半導體材料，SiC正逐漸成為功率半導體未來發(fā)展的新趨勢。這種材料不但擊穿電場強度高、熱穩(wěn)定性好，還具有載流子飽和漂移速度高、熱導率高等特點[6]。具體來看，其導熱性能是Si材料的3倍以上；在相同反電壓下，SiC材料的擊穿電場強度比Si材料高10倍，而內阻僅是Si片的百分之一。SiC器件的工作溫度可以達到600℃，而Si器件最高工作溫度不超過200℃。常見半導體材料的一些物理參數(shù)如表1所示[7]。由表1可知，SiC材料優(yōu)良的耐受能力和穩(wěn)定性使得其在高溫半導體器件方面擁有不可比擬的強大優(yōu)勢，使得SiC材料特別適合應用于大功率半導體器件。

表1 常用半導體材料物理特性參數(shù)對比Tab.1Physical characteristic parameters comparison of commonly used semiconductor materials

1.2 SiC功率二極管

SiC功率二極管主要有三種類型：肖特基二極管（Schottky barrier diode，SBD）、PiN二極管和結勢壘控制肖特基二極管（junction barrier Schottky，JBS）。SiC和Si功率管的一些參數(shù)如表2所示。

以SiC肖特基二極管為例，它是速度最快的高壓肖特基二極管，無需反向恢復充電，可大幅降低開關損耗、提高開關頻率，適用于比采用Si材料的肖特基二極管高得多的操作電壓范圍[8]。例如，600V SiC肖特基二極管可以用在交換模式開關電源（SMPS）中；300 V SiC肖特基二極管可以用作48～60 V快速輸出開關電源的整流二極管；而1 200 V SiC肖特基二極管與硅IGBT組合后可以作為理想的續(xù)流二極管。

表2 SiC和Si功率管的主要參數(shù)Tab.2Main parameters of Si and SiC power tube

PiN二極管有著耐高壓、低漏電、正向電流大、低導通損耗的優(yōu)點。而且SiC的擊穿電壓遠大于Si，因而在相同的耐壓下，P-i-N結構中i層漂移區(qū)的摻雜濃度可以高很多、厚度方面也薄很多，可以得到更低的正向電壓[9]，在器件性能方面比Si材料器件更加優(yōu)越。

SiC結勢壘肖基特二極管作為單極性器件，結合了肖特基二極管優(yōu)良的開關特性和PiN二極管高耐壓、低漏電的特點。與PiN二極管相比，具有低開啟電壓無反向恢復等優(yōu)點，并且有效地解決了肖基特二極管的反向耐壓問題[10]。具有高耐壓、大電流密度、正向壓降小、高溫漏電小、啟動電壓小、開關速度快等顯著特點，是目前較理想的高頻整流器件。

1.3 SiC MOSFET管

MOSFET管是典型的三端電壓控制型開關器件（雙極型晶體管是三端電流控制型開關器件），在開關電源電路中，MOSFET管的使用與雙極性晶體管類似。SiC在制作MOSFET器件方面比其他寬禁帶半導體更具有優(yōu)勢，因為SiC能夠通過熱氧化形成二氧化硅絕緣介質[11-12]。早期的SiC MOSFET管也存在很多問題，如溝道電子遷移率低、開啟電壓不穩(wěn)定、高溫工作可靠性不高等，這些問題都與氧化層界面有關。SiC MOSFET作為新型的半導體功率元器件，最明顯的優(yōu)點是驅動電路非常簡單且與現(xiàn)有的功率器件（硅功率MOSFET和IGBT）驅動電路兼容，SiC功率MOSFET面臨的兩個主要挑戰(zhàn)是柵氧層的長期可靠性問題和溝道電阻問題。SiC MOSFET二極管恢復測試電路如圖1所示，測試電路中二極管恢復波形如圖2所示[13]。

圖1 二極管恢復測試電路Fig.1Body diode recovery test circuit

圖2 二極管恢復波形Fig.2Body diode recovery waveform

1.4 SiC IGBT

絕緣柵雙極性晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）是由MOSFET管和雙極型晶體管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。SiC IGBT相比普通的IGBT開關損耗可降低85％，與傳統(tǒng)的Si-IGBT模塊相替換時，體積可減小約50％，更適用于高頻工作且損耗更低，因此發(fā)熱更少，有利于減小散熱裝置體積，使系統(tǒng)結構更加緊湊，實現(xiàn)整體設備的小型化。

由于受到工藝技術的制約，全SiC IGBT功率模塊的發(fā)展較晚。高壓SiC IGBT和SiC MOSFET器件面臨著兩個急需解決的問題：溝道缺陷導致的可靠性以及電子遷移率問題[13-14]。SiC IGBT器件的優(yōu)勢應用范圍為10 kV以上的高壓領域。在這種場合下，SiC MOSFET器件通態(tài)電阻過高的問題較為明顯，但在10 kV以下的應用中，SiC IGBT相對于SiC MOSFET的優(yōu)勢就沒那么明顯。在15kV以上的應用領域，SiC IGBT綜合了功耗低和開關速度快的特點，相對于SiC MOSFET以及Si基IGBT、晶閘管等器件具有顯著的技術優(yōu)勢。

1.5 SiC器件應用現(xiàn)狀

由于制造工藝及設備的原因，SiC器件的價格相對較高，極大地限制了它的推廣應用，最早只是在電力電子、軍工等對價格不是特別敏感的領域得到應用。最近幾年，SiC功率器件的價格不斷走低，已逐步展現(xiàn)出其在性能和降低系統(tǒng)成本方面的巨大優(yōu)勢。由于優(yōu)異的綜合產品性能，SiC功率器件已經在輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、風電并網逆變器、光伏逆變器等領域得到推廣應用，并在電力機車、混合動力汽車、各種工業(yè)電機等產品行業(yè)領域得到高度重視，在空調等白色家電、服務器及個人電腦等方面也得到了越來越多的廠家的青睞[15]。

2 SiC功率器件在逆變焊機中的應用與展望

2.1 功率器件與逆變焊機的更新?lián)Q代

20世紀70年代初，由晶閘管（SCR）構成的可控整流式電焊機的出現(xiàn)標志著現(xiàn)代電力電了技術開始進入焊接電源設備領域。20世紀70年代～80年代，性能優(yōu)良的自關斷電力電子開關器件（GTO）、功率晶體管（GTR）、功率場效應管（MOSFET）、絕緣柵晶體管（IGBT）等相繼出現(xiàn)[16]。這些功率器件的出現(xiàn)不僅帶動了電力電子行業(yè)的發(fā)展，也推動了電焊機的更新?lián)Q代。目前，在中大功率應用場合，IGBT逆變焊機已經成為工業(yè)電焊機的主流產品；而在中小功率應用場合，MOSFET逆變焊機得到了廣泛的應用。這些逆變焊機普遍采用Si基功率器件，性能更為優(yōu)良的SiC功率器件的出現(xiàn)，將推動新一代逆變焊機的發(fā)展。

2.2 Si基開關管與SiC開關管特性對比

2.2.1導通電阻特性

SiC MOSFET和普通MOSFET導通電阻特性如圖3、圖4所示[13，18]。由圖可知，正常情況下SiC功率管的導通電阻要低于Si管，當溫度從25℃升到125℃時，SiC管的導通電阻增長了62％，而普通Si管的導通電阻增長了將近100％。SiC功率管的導通電阻具有正溫度系數(shù)，飽和導通時易于并聯(lián)使用。

圖3 SiC MOSFET導通電阻特性Fig.3On resistance characteristics of SiC MOSFET

圖4 Si MOSFET導通電阻特性Fig.4On resistance characteristics of SiC MOSFET

此外，SiC功率管應用在高壓領域時的導通損耗遠小于Si功率管，可進一步提高能量的轉換效率。

2.2.2開啟電壓特性

Si和SiC開啟電壓和結溫的關系如圖5所示[13，18]。由圖可知，在同等產品規(guī)格條件下，SiC功率管的開啟電壓小于Si功率管的開啟電壓；柵源極電壓隨著結溫的上升而減小，125℃時SiC MOSFET的開啟電壓最低僅為1.25 V，普通Si MOSFET則需要3.6V。

圖5 Si/SiC MOSFET開啟電壓特性Fig.5Gate threshold voltage of Si/SiC MOSFET

由于SiC功率器件的開關速度更快，因此在大功率和性能要求比較高的場合，驅動電路的設計對SiC MOSFET的可靠性和系統(tǒng)的性能有至關重要的影響。在設計驅動電路時需要防止其他信號干擾造成功率管的誤開通，尤其是在高頻開關應用中，關斷速度過快容易導致較大的振鈴現(xiàn)象，從而造成功率管的誤開通[17]。此外，SiC MOSFET的開啟電壓均具有正的溫度系數(shù)，高溫場合使用時需采取相應的措施以確保功率管可靠關斷。

2.2.3功率管抗雪崩擊穿能力

擊穿現(xiàn)象往往對晶體管特性起著破壞性作用，決定了晶體管的最高工作電壓。引起雪崩擊穿的三種電流分別為漏電流、位移電流、雪崩電流，這三者在理論上都會激活寄生晶體管導通。寄生晶體管導通使MOSFET由高壓小電流迅速過渡到低壓大電流狀態(tài)，從而發(fā)生雪崩擊穿。從表3的數(shù)據(jù)（EAS、EAR）可以分析功率管的抗雪崩能力：SiC能承受的最大單脈沖雪崩能量EAS（SiC）≈EAS（Si）；最大重復脈沖雪崩能量EAR（SiC）>>EAR（Si）。整體來看，SiC功率管相比Si功率管具有更突出的抗雪崩擊穿能力。

表3 SiC和Si器件抗雪崩擊穿能力Tab.3Anti-breakdown capability of SiC and Si device

2.2.4開關時間和開關損耗特性

開通過程中，因為有輸入電容存在，會存在一個充電過程。當UGS=Ut時，開始出現(xiàn)id，id隨著UGS上升而上升，開通時間為

關斷過程中，柵極輸入電容上的電荷先放電。當電壓下降到UGSP之后，如果電壓繼續(xù)下降id將減小，隨后UGS繼續(xù)下降，id也隨著下降。關斷時間為

由表4可知，SiC材料的功率管開通和關斷時間比Si材料的功率管要小很多，可以顯著提高器件的開關速度，在開關過程中輸入電容需要充放電，所以需要一定的驅動功率，而且工作速度越快，所需要的驅動功率越大[18]。

表4 SiC和Si器件開通關斷時間Tab.4Switching time of SiC and Si device

SiC與Si功率器件的開關損耗如表5所示。SiC功率管較Si功率管在總開關損耗和開關時間上均有較大的降低。可見，SiC功率管更適合高壓高頻應用領域，有利于增加開關頻率、降低系統(tǒng)損耗、減小變換器中無源器件的體積和成本。

表5 SiC與Si器件開關損耗對比Tab.5Switching loss of SiC and Si device

2.3 SiC功率器件對逆變焊機性能的提升

目前市場中的主流逆變焊機普遍采用Si基功率器件。如果采用新一代寬禁帶SiC功率器件來替換現(xiàn)用的Si功率器件，將能夠極大地提升逆變焊機的綜合性能，具體體現(xiàn)在以下幾點：

（1）逆變頻率更高，動態(tài)性能更好。逆變焊機的基本特點是工作頻率高。SiC功率器件具備優(yōu)異的動態(tài)特性，并且在開關瞬態(tài)過程基本不存在電導調制效應，在同等工況下，SiC開關管的開關頻率可以比Si基功率管更高。隨著逆變頻率的提高，逆變焊機可以采用更小的濾波電抗，主電路的時間常數(shù)更小，使得逆變焊機的動態(tài)性能更好，對焊接工藝過程的精細控制成為可能。

（2）能效更高。全SiC模塊的動態(tài)損耗非常低：SiC MOSFET的開關損耗是Si IGBT的1/4，普通二極管比SiC肖特基二極管的損耗高8～9倍。低損耗在能效方面也有顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的IGBT弧焊逆變器，其額定效率一般為85％，采用軟開關技術可以達到93％；而采用SiC功率器件，開關管的輸出效率可以達到98％以上，這使逆變焊機具有更高的能效[22-23]。

（3）更為小巧輕便。由于逆變頻率的提高，使得回路中的磁性器件的體積和質量大幅度降低；與此同時，由于SiC功率器件的耐高溫性能更好，同等工況下能夠采用更小體積的散熱器和散熱風扇。與采用傳統(tǒng)Si基IGBT技術相比，采用SiC功率器件的逆變焊機的體積性能提高4倍，總體成本約為現(xiàn)有逆變焊機的1/2，而質量約為現(xiàn)有逆變焊機的1/4[24]。

（4）可靠性更好。雖然SiC MOSFET和肖特基二極管的最大額定電流沒有傳統(tǒng)的Si基IGBT的高，但SiC具有更高的熱傳導率和更好的熱擴散能力，通過并聯(lián)SiC晶片可以大幅提升SiC器件的功率輸出能力，并且輸出電壓和輸出電流的穩(wěn)定性更好。

最近幾年SiC器件價格的變化趨勢如表6所示。器件的價格按照每1A電流所需美元（USD/A）來折算，SiC MOSFET的價格從6.4 USD/A到現(xiàn)在的0.595 USD/A，SiC Diode從0.505 USD/A到現(xiàn)在的0.27USD/A僅僅用了不到4年的時間。據(jù)估計，SiC器件的價格到2016年還會繼續(xù)下降25％左右。

表6 SiC器件的價格（USD/A）變化趨勢Tab.6Price（USD/A）change trend of SiC device

總體來看，逆變式焊機總體發(fā)展趨勢是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發(fā)展，并以提高可靠性及拓寬用途為核心。將SiC功率器件應用于逆變焊機時，不僅可以顯著提高工作效率，而且能夠有效降低系統(tǒng)中無源器件的質量和成本，有助于實現(xiàn)逆變焊機的小型化、高效化和高性能。SiC功率器件的引入，將為逆變焊機未來的發(fā)展起到重要的推動作用[19]。隨著制造工藝的成熟和量產成本的迅速降低，性能優(yōu)良的寬禁帶SiC器件必將推動逆變焊機進入迅速更新?lián)Q代的新局面。

3 結論

作為一種寬禁帶半導體器件，SiC功率器件具有高熱導率、高擊穿場強、高熱耐受性、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，可以在更高的電壓、工作頻率和功率密度條件下運行。將SiC功率器件應用于逆變焊機，不僅可以進一步提高能效、減少體積和質量、改善動態(tài)性能，還能進一步提高逆變焊機的綜合性能，推動逆變焊機的更新?lián)Q代。

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A new generation silicon carbide power device and its application in welding inverter

WANG Zhenmin，WANG Pengfei
（School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Nowadays，the performance of the Si power devices widely used in welding inverter is close to its theoretical limit decided by its material characteristics. Relying on the Si power devices，the potential for improving the performance of welding inverter is very limited. SiC is a revolutionary wide bandgap semiconductor material，which is the one of the major development directions of the next generation power semiconductor materials.In this paper the characteristics of the SiC materials and the type，principle and characteristics of SiC power device are introduced；the performance of SiC and ordinary Si power device is compared and analyzed.The advantages of SiC power devices applied to welding inverter are discussed.Finally，the application prospect of SiC power devices for welding inverter is expected and analyzed.

SiC；welding inverter；power device；wide bandgap semiconductor

TG434.1

C

1001－2303（2016）06－0001-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.01

2015-10-29

國家自然科學基金項目（51375173）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費培育項目（2015ZP220）；廣東省科技計劃項目（2013B010402007，2013B011302006，2014 B010104002）

王振民（1974—），男，湖南人，教授，博士，主要從事大功率數(shù)字化逆變電源、焊接自動化等方面的研究和教學工作。