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碳化硅半導(dǎo)體
在性能上的增長(zhǎng)，純硅功率晶體管有著令人羨慕的成績(jī),，然而,，對(duì)于高要求的功率開關(guān)和控制的應(yīng)用上，它似乎已經(jīng)到達(dá)了它的極限,。
碳化硅（SiC）,，作為一種新型半導(dǎo)體材料，具有潛在的優(yōu)點(diǎn)：更小的體積,、更有效率、*去除開關(guān)損耗,、低漏極電流,、比標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體（純硅半導(dǎo)體）更高的開關(guān)頻率以及在標(biāo)準(zhǔn)的125℃結(jié)溫以上工作的能力。小型化和高工作耐溫使得這些器件的使用更加自如,，甚至可以將這些器件直接置于電機(jī)的外殼內(nèi),。
任何一種新技術(shù)都會(huì)經(jīng)歷由發(fā)展到成熟的過程，SiC也不例外,。標(biāo)準(zhǔn)功率開關(guān),，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），有很大的產(chǎn)品基礎(chǔ)和優(yōu)化的生產(chǎn)技術(shù),。而SiC卻需要投入大量經(jīng)費(fèi)和研發(fā)資金來解決材料問題和完善半導(dǎo)體制造技術(shù),。然而這種功率開關(guān)器件，能夠在正向?qū)ù箅娏骱头聪蚪刂骨Х妷褐g快速執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作,，這樣的性能是值得一試的,。
SiCzui初的成功應(yīng)用和主要應(yīng)用發(fā)光二極管，用于汽車頭燈和儀表盤其他照明場(chǎng)合,。其他的市場(chǎng)包括開關(guān)電源和肖特基勢(shì)壘二極管,。將來會(huì)應(yīng)用到包括混合動(dòng)力車輛、功率轉(zhuǎn)換器（用于減小有源前置濾波器的體積）和交流/直流電機(jī)控制上。這些更高要求的應(yīng)用還沒有商業(yè)化,，因?yàn)樗鼈冃枰哔|(zhì)量的材料和大規(guī)模的生產(chǎn)力來降低成本,。在*范圍內(nèi)，大量的研究經(jīng)費(fèi)投入到了公司,、實(shí)驗(yàn)室和政府設(shè)施,，以使SiC技術(shù)更加可行。一些專家預(yù)言,，SiC技術(shù)的商業(yè)化,、工業(yè)化甚至**應(yīng)用將在2到5年或者更遠(yuǎn)的時(shí)間內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)。
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圖1：APEI Inc.的這個(gè)功能齊全的基于SiC的3kW三相換流器原型,，可以工作于
250℃以上的溫度,。
電機(jī)控制生產(chǎn)商對(duì)于SiC的發(fā)展特別有興趣，有些甚至與研究人員和半導(dǎo)體生產(chǎn)商進(jìn)行合作來促進(jìn)SiC的發(fā)展,。但是他們大多數(shù)都對(duì)這種協(xié)作關(guān)系閉口不談,。
SiC技術(shù)的促進(jìn)者
Rockwell Automation公司標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)部門的顧問工程師Gary Skibinski博士說：“Rockwell Automation看到了這個(gè)新技術(shù)的潛在優(yōu)點(diǎn)并認(rèn)為自己是SiC技術(shù)的促進(jìn)者。Rockwell公司也確定了SiC技術(shù)會(huì)如何融入其將來的商業(yè)計(jì)劃,。對(duì)于一個(gè)的公司,，理解并接納新興技術(shù)是至關(guān)重要的。”
發(fā)展正在逐步進(jìn)行,。Skibinski舉例道,，在驅(qū)動(dòng)模塊的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IGBT上附加一個(gè)SiC功率二極管，作用如同變極飛輪二極管,，作為提高生產(chǎn)力邏輯上的*步,；這種改變其次將會(huì)應(yīng)用于功率開關(guān)上。他說：“純SiC驅(qū)動(dòng)仍處于研發(fā)和原型論證階段,。”
相對(duì)于純SiC模型（Si IGBT+反平行二極管開關(guān)）的進(jìn)展,，在近期對(duì)于Si-SiC混合型功率模型（Si IGBT+商業(yè)SiC二極管）的研究中，Rockwell公司在減少能量損耗和增加載波頻率上獲得突破性進(jìn)展,。此模型總的功率損耗為Eon+Err+Eoff（見圖2）,。對(duì)于Si或者SiC二極管，不管Rgate值如何變化,，Eoff的值都不會(huì)變化,，但是當(dāng)使用SiC二極管時(shí)，其他的兩個(gè)功率損耗分量會(huì)因Rgate值的變化而發(fā)生變化,。對(duì)于任何Rgate值,，二極管反向恢復(fù)損耗Err實(shí)際上已經(jīng)幾乎減小到0（94%）。當(dāng)Rgate=25Ω時(shí)GBT的Eon減小了37%,，當(dāng)Rgate=8絞?，IGBT的Eon減小了85%,。
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圖2：Rockwell Automation 近期的調(diào)查顯示，相對(duì)于全硅模塊,，Si-SiC混合模塊可以潛在地
減小功率損耗Eon和Err,。為了便于比較，全硅模塊的IGBT功率損耗En被規(guī)格化為每一個(gè)單位3.3mJ,。
研究的結(jié)果證明了更高開關(guān)頻率的可能性,，在以前，更高的開關(guān)頻率一直受限于純硅二極管的反向恢復(fù)損耗,。Err限制了在減小開啟損耗上的進(jìn)一步發(fā)展,。Skibinski解釋道：“硅模塊的供應(yīng)商推薦使用一個(gè)門電阻Rgate (例如25 Ω，來平衡IGBT的開啟能量損耗(Eon) 關(guān)斷能量損耗(Eoff),。”然而對(duì)于SiC二極管,，門電阻Rgate就可以省去不用了。
他說：“SiC二極管能夠降低總功率損耗(Eon+Err+Eoff),，這一特性仔驅(qū)動(dòng)上的應(yīng)用有著潛在優(yōu)點(diǎn),。”首先，在使用同樣的制冷系統(tǒng)的條件下,，它可以達(dá)到4倍的開關(guān)頻率,，可以使前置電磁濾波器具有更好的性能、更小的體積和更低的價(jià)格,?；蛘撸阋部梢员Ａ衄F(xiàn)在的開關(guān)頻率和制冷系統(tǒng),，這樣就可以得到更高的效率和穩(wěn)定性,、更低的損耗、更高的額定輸出,。降低的總功率損耗可以潛在地降低制冷花費(fèi),。
Yaskawa Electric是另一個(gè)采用SiC技術(shù)的驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)商,，他把SiC技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)屏幕上,。Yaskawa Electric總結(jié)SiC的基本的優(yōu)點(diǎn)有：高工作溫度、高開關(guān)速度,、在導(dǎo)通和開關(guān)模式下都具有更低的損耗,，這些是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加有效率。
日本小倉(cāng)Yaskawa Electric公司研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的IEEE的特殊會(huì)員Tsuneo J. Kume博士在Control Engineering中說道：“這種低損耗的特性,，加上高工作結(jié)溫,，是碳化硅器件和制冷系統(tǒng)具有更小的體積，進(jìn)而導(dǎo)致具有更高功率密度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成為可能,。而且,，高頻開關(guān)性能極大地改進(jìn)了控制系統(tǒng)的響應(yīng)和帶寬,。”Yaskawa公司正在與*的半導(dǎo)體生產(chǎn)商密切合作，例如Mitsubishi Semiconductors公司,，只要技術(shù)成熟,，將會(huì)推出具有*技術(shù)的SiC器件。據(jù)Kume說,，這種技術(shù)正在為實(shí)際應(yīng)用和質(zhì)量作進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),，使用這種新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，暫時(shí)還沒有開始開發(fā),。