硅与碳化硅二极管在Buck变换器中的对比研究

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Boost变换器中SiC与IGBT模块热损耗对比

Boost变换器中SiC与IGBT模块热损耗对比研究*Study on heat loss of SiC and IGBT modules in boost converter伍丰1,2，张灵芝1,2，蒋逢灵1,2 (1.湖南铁路科技职业技术学院，湖南株洲 412006；2.湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心，湖南株洲 412006)摘要：针对Boost变换器中SiC(碳化硅)与IGBT模块热损耗问题，给出了Boost电路中功率模块热损耗的估算方法，并提供了具体的估算公式。

以30 kW DC/DC变换器为研究对象，对功率模块在不同工作频率下的损耗进行了理论计算、PLECS仿真和试验验证对比分析。

PLECS仿真和试验验证的结果不仅证明了估算公式的正确性，还直观的体现了SiC和IGBT两类模块在不同开关频率下工作的热损耗趋势。

从文中可以看出，使用SiC替代IGBT可以显著地提高变换器的工作频率和功率密度。

关键词：Boost变换器；SiC模块；IGBT模块；热损耗*基金项目：湖南省教育厅科学研究优秀青年项目(20B393)0 引言功率模块相对于小功率的分立器件，具有更大的体积和功率，因此常用于大功率电能变换器领域，在大功率DC/DC变换器行业，虽然Si IGBT模块仍然占据了统治地位，但随着碳化硅(SiC)模块技术和工艺的逐步成熟，SiC模块将会逐步替换原来的Si IGBT;原因在于SiC模块具有宽禁带、耐高温、耐高压和低损耗的优点，根据行业统计数据，SiC模块的关断损耗比Si IGBT减小88%，开通损害降低34%，单位面积的导通阻抗更小(硅IGBT的1/3~1/5)，且具有更快开关速度(硅IGBT的5~20倍)，同时还具备高温工作能力(SiC器件的电路可在500℃下稳定工作)，SIC模块与其他主要类型功率器件参数对比表如表1所示[1]。

表1 主要类型功率器件与SiC参数对比表参数名称SiC Si IGBT禁带宽度(eV)3.261.12电子迁移率(cm2/Vs)10001350击穿场强(MV/cm)2.80.3饱和电子漂移速度(cm/s)2x1071x107热导率(W/cmK）4001从表1中的数据可以看出，SiC禁带宽度、击穿场强、热导率等性能都远强于Si IGBT。

碳化硅“体”二极管和“外部”SBD的关断过程对比

碳化硅“体”二极管和“外部”SBD的关断过程对比
杜金凌
【期刊名称】《变频器世界》
【年(卷),期】2022()11
【摘要】引言近年来,半导体行业最为火热的话题非宽禁带半导体莫属,如碳化硅(SiC)。

由于其优越的物理和电气特性,如高能量带陳(eV),高临界击穿场强(MV/cm)和高热导率(W/cm·K)等,在硅基半导体叱咤风云数十载的情况下逐渐活跃在大众视野。

【总页数】4页(P44-47)
【作者】杜金凌
【作者单位】赛米控电力电子
【正文语种】中文
【中图分类】TN3
【相关文献】
1.4500 V碳化硅SBD和JFET功率模块的制备与测试
2.反并联二极管对IGCT关断过程的影响
3.硅与碳化硅二极管在Buck变换器中的对比研究
4.用透表法研究硅化钯二极管SBD与EBIC法的比较
5.肖特基二极管(SBD)结构解剖与分析
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碳化硅在大功率电力电子器件中的应用

碳化硅在大功率电力电子器件中的应用摘要：功率半导体器件是电力电子技术的关键元件。

与传统的硅功率器件相比，碳化硅功率器件能够承受更高的电压，具有更低的寄生参数（寄生电容、电阻和电感），更小的器件尺寸和更短的响应时间。

开关速度的提高不但可以降低系统功率损耗，而且能够允许使用更小的变压器和电容器，大大减小了系统的整体尺寸和质量。

而且，碳化硅的耐高温特性大大降低了系统的散热设计，允许使用更小的散热片及风扇，降低散热器体积及功率损耗。

因此，碳化硅器件有望从本质上提高电力电子功率转换设备的效率和功率密度。

本文对碳化硅材料特性做简单的介绍，进而深刻了解碳化硅器件的物理和电气特性，并对碳化硅在电力电子主要功率器件器件二极管、MOSFET、GTO、IGBT、IGCT的电气特性和初步应用等问题进行探讨。

关键词：电力电子器件，碳化硅，二极管，MOSFET，GTO，IGBT，IGCT0引言碳化硅(SiC)的优异特性随绿色经济的兴起而兴起。

在提高电力利用效率中起关键作用的是电力电子功率器件。

如今降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。

同时，借助于微电子技术的发展，以硅器件为基础电力电子功率器件MOSFET及IGBT等的开关性能已随其结构设计和制造工艺的完善而接近其由材料特性决定理论极限，依靠硅器件继续完善提高和电力电子电子装置与系统性能的潜力已十分有限。

在这种情况下，碳化硅器件受到人们青睐。

碳化硅器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率，适于在恶劣条件下工作。

与传统的硅器件相比，日前已实用的SiC器件可将功耗降低一半，由此将大大减少设备的发热量，从而可大幅度降低电力功率变换器的体积和重量。

但由于其制备工艺难度大，器件成品率低，因而价格较高，影响了其普通应用。

近几年来，实用化和商品化的碳化硅肖特基势垒功率二极管，以其优良特性证实了半导体碳化硅在改善电力电子器件特性方面巨大的潜在优势。

最近，Cree公司报道了耐压近2000V、电流大于100A、工作温度高于200℃的晶闸管[1]。

碳化硅二极管的正向压降

碳化硅二极管的正向压降1. 什么是碳化硅二极管？嘿，朋友们，今天我们要聊聊一个在电子世界里可谓是大红大紫的明星——碳化硅二极管。

你可能会问，二极管不就是那个小小的电子元件吗？是的，但碳化硅二极管可不一般哦！它可是在高温、高频、高压环境中表现得游刃有余的好手。

就像在运动场上，碳化硅二极管总能稳稳地把球打进，让对手望尘莫及。

说到正向压降，先来个小科普吧。

正向压降就是当电流通过二极管时，它所消耗的电压。

就像你在去超市买东西时，收银台要你掏钱一样，这个压降就是二极管的“通行费”。

对于传统的硅二极管来说，通常的正向压降在0.7V左右，而碳化硅二极管的压降可是相对低的，差不多在1.5V到2V之间。

不过，别看这个数值小，实际上这可影响到整个电路的效率，真的是细节决定成败啊！2. 碳化硅二极管的优势2.1 高效能让我们先来聊聊碳化硅二极管的高效能。

想象一下，你在大太阳底下慢慢爬山，汗流浃背。

而碳化硅二极管就像是坐在山顶喝着冰饮料的你，轻松自如，根本不怕高温！它的热导性好，能在高温下也不畏惧，电流通过时产生的热量也能快速散发。

这样一来，电路的整体效率就能提升，节能又环保，真是一举两得。

2.2 低正向压降说到正向压降，碳化硅二极管可是以其低压降而闻名。

它的正向压降低于硅二极管，这就意味着在同样的条件下，你可以得到更多的电压输出。

就好比你在一家店里买东西，若收银员不多收你一分，那你当然是心里美滋滋的啦。

低压降让电路的工作更轻松，减少了能量的浪费，这对追求高效率的现代社会来说，无疑是个大好消息。

3. 应用领域3.1 太阳能系统当然，碳化硅二极管并不是只在实验室里待着，它在实际应用中可大有作为。

尤其是在太阳能系统中，碳化硅二极管是个不可或缺的好伙伴。

想象一下，阳光普照，能量源源不断地转化为电能，而二极管则像个得力助手，帮忙把这些电流整理得妥妥当当。

低正向压降让整个系统的能量利用率提升，让每一束阳光都不再白白浪费。

3.2 电动汽车还有，电动汽车的崛起也是碳化硅二极管施展拳脚的地方。

SiC器件在双向DC-DC变换器中的应用研究石昊

SiC器件在双向DC-DC变换器中的应用研究石昊发表时间：2018-03-13T15:39:52.890Z 来源：《电力设备》2017年第30期作者：石昊[导读] 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。

（陆军装甲兵学院北京市丰台区 100072）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。

基于SiC和Si器件的燃料电池汽车DC-DC变换器的性能

基于SiC和Si器件的燃料电池汽车DC-DC变换器的性能周晓敏;马后成;高大威【摘要】为实现燃料电池汽车输出电压、功率的调节与控制,采用了一种交错式双Boost电路的大功率直流—直流(DC-DC)变换器,其中应用了Si和SiC功率器件.基于电路损耗计算和效率仿真手段,对比分析了全SiC[金属—氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、SiC二极管]、SiCMOSFET和Si二极管的混合器件和全硅Si[绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件、Si二极管]的变换器在电路损耗.结果表明:Si IGBT的开通和关断损耗约是SiC MOSFET的3倍和10倍,在不同工况下,全SiC 变换器的转换效率比全Si变换器高1％～3.1％.因而,SiC功率器件在大功率DC-DC变换器的应用中,能够提高功率密度、可靠性和动力系统工作效率.%The performances in circuit loss of an interleaved dual Boost high power derect-curent to derectcurent (DC-DC) converters were analyzed by using Si devices or/and SiC devices in a fuel cell vehicle to regulate and control the output voltage and output power.The circuit losses and efficiency in the whole SiC devices (i.e.SiC Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MSOFET and SiC diode) converter,hybrid devices (i.e.SiC MOSFET and Si diode) converter and the whole Si devices (i.e.Si Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT and Si diode) converter were compared base on circuit loss numerical calculation and efficiency simulation.The results show that the Si IGBT losses are 3 times for switching on and 10 times for switching off as that of SiC MOSFET and the efficiencies of All-SiC devices are 1％～3.1％ higher than All-Si devices in differentconditions.Therefore,the SiC devices can improve the powerdensity,reliability and efficiency of the power system for high power DC-DC converters.【期刊名称】《汽车安全与节能学报》【年(卷),期】2017(008)001【总页数】8页(P79-86)【关键词】燃料电池汽车;直流—直流(DC-DC)变换器;交错式双Boost电路;SiC金属—氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET);Si绝缘栅双极型晶体管(IGBT);电路损耗【作者】周晓敏;马后成;高大威【作者单位】北京科技大学机械工程学院,北京100083;北京科技大学机械工程学院,北京100083;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TM131.3随着环境污染和能源危机的问题日益凸显，新能源汽车受到了越来越多的重视。

碳化硅二极管与肖特基

碳化硅二极管与肖特基二极管碳化硅二极管和肖特基二极管都是常见的半导体器件，它们在电子学领域中有着广泛的应用。

碳化硅二极管是一种新型的高性能半导体器件，它具有高温、高电压、高频率等优异的性能，被广泛应用于电力电子、光电子、微波电子等领域。

而肖特基二极管则是一种具有快速开关特性的半导体器件，它的主要应用领域是高频电路、功率电子、光电子等领域。

碳化硅二极管与肖特基二极管的区别碳化硅二极管与肖特基二极管在结构和性能上存在一定的区别。

首先，碳化硅二极管的主要材料是碳化硅，而肖特基二极管的主要材料是硅。

其次，碳化硅二极管具有更高的击穿电压和更高的工作温度，而肖特基二极管则具有更快的开关速度和更低的正向电压降。

碳化硅二极管的优点碳化硅二极管具有许多优点，其中最重要的是其高温和高电压性能。

由于碳化硅的热导率高，因此碳化硅二极管可以在高温环境下工作，这使得它在电力电子领域中得到广泛应用。

此外，碳化硅二极管的击穿电压高，可以承受更高的电压，这使得它在高压电源和高压开关电路中具有很大的优势。

此外，碳化硅二极管的开关速度快，可以在高频率下工作，这使得它在微波电子领域中得到广泛应用。

肖特基二极管的优点肖特基二极管具有许多优点，其中最重要的是其快速开关特性。

由于肖特基二极管的结构特殊，它的开关速度比普通二极管快得多，这使得它在高频电路中得到广泛应用。

此外，肖特基二极管的正向电压降低，可以减少功耗，这使得它在功率电子领域中得到广泛应用。

此外，肖特基二极管的噪声低，可以提高信号质量，这使得它在光电子领域中得到广泛应用。

结论总的来说，碳化硅二极管和肖特基二极管都是非常重要的半导体器件，它们在电子学领域中有着广泛的应用。

碳化硅二极管具有高温、高电压、高频率等优异的性能，被广泛应用于电力电子、光电子、微波电子等领域。

而肖特基二极管则具有快速开关特性、低功耗、低噪声等优点，被广泛应用于高频电路、功率电子、光电子等领域。

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ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＳｉＤｉｏｄｅａｎｄＳｉＣＤｉｏｄｅｉｎＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔｅｒ
ＦＡＮＧＹｕ一，ＱＩＮＨａｉ — ｈｏｎｇ￣，ＺＨＵＺｉ — ｙｕｅ，ＺＨＡＯＢｉｎ
（１．无锡市计量测试中心，江苏无锡
斌
２１００１６）
２１４１０１；
２．江苏省新能源发电与电能变换重点实验室，南京航空航天大学，江苏南京
摘要：硅（Ｓｉ）器件在电力电子变换器中应用广泛，但其性能已接近理论极限。与ｓｉ材料制成的ｓｊ二极管相比，
由新型碳化硅（ＳｉＣ）材料制成的ＳｉＣ二极管性能更加优越。对ｓｉ二极管和ＳｉＣ二极管的器件特性，包括通态特
性、阻态特性和开关过程这３个方面进行对比．又对两种二极管的损耗分布（导通损耗、阻态损耗和反向恢复损耗）进行了理论计算和对比分析。设计制作了Ｂｕｃｋ变换器实验样机，对分别采用ｓｉ二极管和ＳｉＣ二极管时
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌｉｃｏｎ（Ｓｉ）ｄｅｖｉｃｅｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｖｅｔｒｅｒ，ｂｕｔｉｔｓｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｈａｓｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｉ — ｍｉｔ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅＳｉｄｉｏｄｅ，ｔｈｅｓｉｌｉｃｏｎｃａｒｂｉｄｅ（ＳｉＣ）ｄｉｏｄｅｐｏｓｓｅｓｓｅｓｂｅｔｔｅｒｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅｐｅｒｆｏｍａｒｎｃｅｏｆｔｈｅ
管的变换器进行了实验测试．结果验证了采用ＳｉＣ肖特基二极管能显著提高整机工作性能。
２ＳｉＣ肖特基二极管的特性分析
ＳｉＣ肖特基二极管的反向阻断电压很高。预计理论上可超过１ＯｋＶ．且商用ＳｉＣ器件的阻断电压水平如今也已达到１７００Ｖ。由于在此阻断电压等
ＳｉｄｉｏｄｅａｎｄｈｅｔＳｉＣｄｉｏｄｅａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｆｒｏｍｏｎ－ｓｔａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｉｓｒｔｉｃ，ｏｆ— ｓｔａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｎｄａＳＷ・ｉｔｃｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ａｌｓｏ，ｌｏｓｓｅｓｏｆｔｈｅＳｉｄｉｏｄｅａｎｄｈｅｔＳｉＣｄｉｏｄｅｉｎｃｌｕｄｉｎｇｏｎ－ｓｔａｔｅｌｏｓｓｅｓ，ｏｆ－ｓｔａｔｅｌｏｓｓｅｓ
管的特性．并对应用在Ｂｕｃｋ变换器中时两种二极管的损耗进行了理论计算和对比分析。设计并制作了Ｂｕｃｋ变换器实验样机。对采用上述两种二极
高装置的效率、减小装置的体积【ｚ】。故对ＳｉＣ肖特基二极管的研究与开发受到越来越多关注。与传
ＳｉｄｉｏｄｅａｎｄｈｅｔＳｉＣｄｉｏｄｅａｄｏｐｔｅｄｉｎＢｕｃｋｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｒｅｇｉｖｅｎａｎｄｃｏｍｐｒｅａｄ．ｈｅＴｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｆｕｒｔｈｅｒｖｌｉａｄａｔｅｓｈｅｔｂｅａｅｒｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｅｔＳｉＣｄｉｏｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ；ｄｉｏｄｅ；ｌｏｓｓｅｓ
１言
Ｓｉ器件性能经过近６Ｏ年的发展已接近理论
率、减少损耗、提高效率，减小变换器的重量和体积【－５】，提高功率密度。对比分析ＳｉＣ肖特基二极管与ｓｉ快恢复二极
极限，难以大幅度提高，而这也正是制约电力电子变换器的应用性能进一步提升的原因之 ” 。新型ＳｉＣ器件阻断电压高、通态电阻低、开关损耗小且耐高温工作，能显著降低装置的功耗、提
存在较严重的反向恢复问题。同时电流变化率ｄ／ｄ在反向恢复时较大，产生的电压尖峰在线路中的杂散电感上有可能很大。而由于ＳｉＣ肖特基二极管是单极型器件，无电导调制效应，故理论上基本
图ｌａ．ｂ示出ＳｉＣ肖特基二极管Ｃ３Ｄ１００６０Ａ（６００Ｖ／１０Ａ，壳温Ｔ￣＝１５０ｏＣ）和ｓｉ快恢复二极管ＭＵＲ１５６０（６００Ｖ／１５Ａ，＝１４５℃）的伏安特性。，ｆ，为反馈电流、电压。ＭＵＲ１５６０和Ｃ３Ｄ１００６０Ａ的开启阈值电压都是负温度系数．即随着结温的升高而逐渐降低。由图１ａ可以看出，当／ｆ＜２Ａ时，
级．电力电子变换器常使用ＳｉＰＮ结快恢复二极
管．故在此针对ＳｉＣ肖特基二极管与ＳｉＰＮ结快
作者简介：方瑜（１９８０一），男，江苏无锡人，硕士，研究方
向为功率变换。
恢复二极管，从通态特性、阻态特性和开关过程这３个方面进行比较。
ａｎｄｒｅｖｅｒｓｅｒｅｃｏｖｅｒｙｌｏｓｓｅｓａｒｅｃｏｍｐｒｅａｄｎｄａａｎｌｙａｚｅｄ．ｈｅＴｗａｖｅｆｏｒｍｓ，ｌｏｓｓｅｓ，ｅｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓｒｅｏｆｈｅｔ
（１．ＷｕｘｉＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒ，Ｗｕｘｉ２１４１０１，Ｃｈｉｎａ；２．ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｅｗＥｎｅｒｇｙＧｅｎｅｒｔｉａｏｎ
ａｎｄＰｏｗｅｒＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｗｅｎｉ＠ｏｆＡｅｒｏｍｍｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
３７
第４８卷第２期
２０１４年２月
电力电子技术
ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏ１．４８，Ｎｏ．２
Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１４
２．１通态特性与参数
于ＳｉＣ肖特基二极管无电导调制效应．只受寄生电感影响．ＳｉＣ肖特基二极管的零正向恢复电压特性可通过改进工艺基本实现。因为有电导调制效应，ＳｉＰＮ结快恢复二极管
的主要波形、损耗、效率和温升进行了对比研究。实验结果进一步验证了ＳｉＣ二极管的性能优势。
关键词：变换器：二极管；损耗