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SiC功率器件可以有效提高双向DC/DC变换器的效率和功率密度。本章将重点分析SiC应用特性和优化设计等问题，对SiC功率器件的应用特性进行实验研究，并提出针对变换器的软件和硬件优化建议。
1 SiC功率器件的特性和应用现状
1.1 SiC晶体材料的特性及研究现状
SiC（碳化硅）材料以其优良的物理特性，吸引了众多研究者的关注。目前，SiC最常用的有4H-SiC、6H-SiC和3C-SiC三种堆积结构。分子层堆积顺序影响SiC材料的电学特性[43]。
表4.1列出了Si材料和SiC材料的物理和电学性能参数[45]。相比于Si材料，SiC材料拥有更高的禁带宽度、临界击穿场强、热导率和电子饱和速度。下面就SiC的这几个特点分别进行分析。
高电子饱和速度：SiC的电子饱和速度是Si材料的两倍，提高了SiC功率器件的最大开关频率，提高了器件的电流密度，减小了器件的外形尺寸。
低本征载流子浓度：SiC材料的本征载流子浓度非常低，因此SiC功率器件反向恢复时间很短。
综上所述，SiC材料比Si材料更适合制作高功率、高频率、高温度的功率器件，可以有效提高开关电源的功率密度和效率，降低制造成本。
许多国家看好SiC材料的应用前景并投入大量资金对其进行深入研究[46-47]。美国在1997年提出发展宽禁带半导体的目标，2014年创立宽禁带创新中心，计划在未来五年实现电力电子装置的轻量化。日本制订了“国家硬电子计划”，发展用于太空、核能和通讯等领域的新一代功率器件。欧洲“eRamp”项目于2017年5月结束，该项目召集了20多家机构，开发出一系列基于SiC半导体的功率器件和配套芯片，加强了欧洲在电力电子技术方面的实力。
目前研制生产SiC晶体的企业主要几种在美国、日本和德国，其中美国的Cree公司发展最早，技术较为成熟。
1.2 SiC功率器件的发展与应用现状
SiC材料功率器件主要从以下三个方面提高系统性能[48-49]：
1）降低开关损耗能减少电能损耗，提高电能转换效率。SiC功率器件的推广能带来明显的节能效果。
2）提高电力系统的容量。分布式电源和储能装置等通过高频隔离功率转换系统接入电网被普遍认为是必然趋势。SiC可以在高温、高压、高频下的工作的优点可以提高转换系统的容量，为突破高频功率转换系统的瓶颈提供了解决方案。
3）实现电力电子装置的轻量化。使用SiC功率器件可以承受更高的开关频率，降低系统电感、变压器等感性元件的体积和重量。同时SiC具有较高的热导率，可以减小散热器的体积。电子电子装置轻量化可以提升新能源汽车性能，对于提高军用车辆全电化程度都具有重要意义。
SiC功率器件制造方面，德国的英飞凌公司，美国的Cree公司，通用电气和日本的Rohm公司，丰田公司技术领先。SiC肖特基二极管首先实现量产化，而后SiCMOSFET、SiCBJT等产品陆续进入市场。
受技术水平和晶体生产设备的限制，国内SiC器件的研究起步较晚。国家“863”计划在《2014年度备选项目征集指南》中明确提出“要开展第三代半导体材料的关键技术、器件制备及研制电力电子芯片和器件”等科研计划。目前国内SiC功率器件的产业链正在形成，但基础技术水平距离国外还有较大的差距。
SiCBJT受晶体位错缺陷的影响较大，正向电压会发生漂移，这制约了双极型器件的市场化应用。SiC IGBT主要用于超过10 kV高压应用；SiC BJT属于电流驱动器件，不利于应用；而SiC JFET驱动复杂，不利于电路设计；SiC MOSFET为单极型器件，性能不受晶体位错影响，易于设计驱动电路，SiC MOSFET将成为10 KV以下开关器件的主流选择。
SiC功率二极管已经在高端电源市场和光伏逆变器中得到广泛应用。日本丰田、日产、三菱等企业陆续将混合SiCIGBT功率器件（由SiC二极管和SiIGBT器件构成）应用到电动汽车中。东京地铁“01系列车”采用SiC逆变器，节能效果明显。
总的来说SiC功率器件进入市场时间较短，应用特性的分析大多集中在Buck、Boost等电路，对于SiC在双主动全桥中的应用还较少涉及。还需要进行进一步的研究和技术积累。
2 Si器件和SiC器件对比
为了解SiCMOS管的性能优势，及其与SiMOS管的性能差异，本文选择IXFH150N17T和C2M0080120D两种型号的电力MOS管进行对比。表4.2给出了开关器件的主要参数对比，可以看出同Si器件相比，SiC器件的极间电容很低，开关速度更高。
死区时间会对传输功率的特性产生影响，在特定的情况下还会有电压极性反转和相位漂移现象[]。双主动全桥的开关频率越高，死区时间在开关周期的占比越大，影响越明显。电压极性反转现象会增加回流功率，降低变换器的效率。相位漂移现象会影响双主动全桥电路的功率计算精度，进而影响变换器的参数设计。
根据样机实验，SiMOS功率管在双主动全桥电路的死区时间为2us，而使用SiC MOS功率管的死区时间可以降低到0.5~1us。降低死区时间可以为实际应用中双主动全桥的功率预测和参数设计提供更精准的模型。
3.2控制算法优化
使用SiC功率器件可以提高变换器的开关频率，同时提高控制频率能带来更快地响应速度。图4.5左图是拓展移相控制电流应力优化的算法流程图，其中条件判断函数（if）、开方运算（sqrt）和除法运算（/）都较为消耗DSP芯片的CPU周期[50]。因此在实际样机中将采取查表法取代函数运算可以减少运算时间，提高控制频率。
使用SiC功率器件后，可以提高主电路的开关频率。由式4-1知，在最大传输功率不变的情况下，提高频率可以减小辅助电感和变压器的重量和体积。
SiC功率器件具有较高的开关速度和热导率，可以减小损耗和更快散热。可以根据实际情况减小散热器的体积。
5 小结
本章首先分析了SiC材料相比于传统的Si材料在制作功率器件方面的优势，然后搭建实验平台对SiCMOS和SiMOS进行了测试试验，实验结果表明SiC器件具有更快的开关速度和更小的开通电压尖峰。结合SiC功率器件的优势，给出了软件优化建议和硬件优化建议。
作者简介
石昊（1993-06-02），男，汉族，籍贯：山东潍坊，学历：硕士在读，研究方向：电力系统及其自动化。
论文作者:石昊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：器件论文; 功率论文; 变换器论文; 材料论文; 死区论文; 频率论文; 特性论文; 《电力设备》2017年第30期论文;