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乘着(zhe)新能源(yuan)车销量暴涨的(de)(de)(de)东风，极具潜力和市场空间的(de)(de)(de)第三代半(ban)导(dao)体(ti)材料碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)当下已(yi)成(cheng)(cheng)为半(ban)导(dao)体(ti)界的(de)(de)(de)“当红炸(zha)子鸡”，采(cai)用(yong)碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)功(gong)(gong)率(lv)器件(jian)可(ke)助力新能源(yuan)汽车提升加速度、降低系统(tong)成(cheng)(cheng)本、增(zeng)加续(xu)航(hang)(hang)里程以及实现轻量化(hua)(hua)等。但其(qi)实碳(tan)化(hua)(hua)硅(gui)的(de)(de)(de)优(you)越性能使其(qi)在(zai)更多尖端(duan)领域有着(zhe)迫(po)切的(de)(de)(de)需求(qiu)。随着(zhe)航(hang)(hang)天(tian)技(ji)术(shu)(shu)的(de)(de)(de)快速发展，作为航(hang)(hang)天(tian)器的(de)(de)(de)重要组成(cheng)(cheng)部分(fen)——供(gong)配(pei)电系统(tong)和二次电源(yuan)的(de)(de)(de)发展面(mian)临两方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)挑战(zhan)，一方(fang)面(mian)是(shi)小型化(hua)(hua)和轻量化(hua)(hua)，另(ling)一方(fang)面(mian)是(shi)大(da)功(gong)(gong)率(lv)和超(chao)(chao)大(da)功(gong)(gong)率(lv)航(hang)(hang)天(tian)器的(de)(de)(de)需求(qiu)。在(zai)超(chao)(chao)大(da)功(gong)(gong)率(lv)方(fang)面(mian)，目前硅(gui)基功(gong)(gong)率(lv)器件(jian)的(de)(de)(de)功(gong)(gong)率(lv)容量和工作频率(lv)已(yi)不能满足设计要求(qiu)，限制了宇航(hang)(hang)电源(yuan)技(ji)术(shu)(shu)的(de)(de)(de)发展，因此SiC功(gong)(gong)率(lv)器件(jian)的(de)(de)(de)替代应用(yong)已(yi)势在(zai)必行。

SiC功(gong)率器件的优势

电(dian)(dian)源(yuan)技(ji)术从线(xian)性电(dian)(dian)源(yuan)发展(zhan)到开关电(dian)(dian)源(yuan)，开创了(le)电(dian)(dian)源(yuan)技(ji)术的新时代(dai)，实(shi)现了(le)电(dian)(dian)源(yuan)的高频化、高效率、小(xiao)型化，在各个行业都发挥着举足轻(qing)重的作用。开关电源的(de)核(he)心器件是作为(wei)功率开(kai)关管的(de)金属(shu)氧化(hua)物半导体场效(xiao)应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，目前电源的体积(ji)和(he)重量主要受限(xian)于磁性器(qi)件和(he)电容器(qi)的体积(ji)，而高(gao)频化电源设计是有(you)效减(jian)小磁性器(qi)件(jian)(jian)和电(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)体(ti)积(ji)(ji)的唯(wei)一途径，硅(gui)基IGBT器(qi)件(jian)(jian)一般只能工作在(zai)20 kHz以下，严重限(xian)制了磁性器(qi)件(jian)(jian)和电(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)的小体(ti)积(ji)(ji)，因(yin)此超(chao)大(da)(da)功(gong)(gong)率(lv)(lv)电(dian)(dian)(dian)源的体(ti)积(ji)(ji)和重量将(jiang)变得异常(chang)庞大(da)(da)，无法满足航天器(qi)总体(ti)要求。同时超(chao)大(da)(da)功(gong)(gong)率(lv)(lv)二次电(dian)(dian)(dian)源产品都(dou)朝着(zhe)高电(dian)(dian)(dian)压趋势发展(zhan)，而硅(gui)基功(gong)(gong)率(lv)(lv)器(qi)件(jian)(jian)的电(dian)(dian)(dian)压通常(chang)较低，也是限(xian)制宇航电(dian)(dian)(dian)源技术发展(zhan)的主要因(yin)素。

SiC是(shi)目前发展最成熟的(de)(de)(de)宽禁带半导体(ti)材料，近(jin)几(ji)年来(lai)得到(dao)越(yue)来(lai)越(yue)多的(de)(de)(de)商(shang)业化应用(yong)(yong)，在(zai)光伏、风电(dian)、电(dian)动(dong)汽车及轨道交通(tong)等中高功(gong)率(lv)电(dian)力系(xi)统应用(yong)(yong)上(shang)具(ju)有巨大的(de)(de)(de)优(you)势。例如电(dian)动(dong)汽车使(shi)用(yong)(yong)SiC模块，其体(ti)积减小到(dao)原(yuan)来(lai)的(de)(de)(de)1/5。以(yi)SiC为代表的(de)(de)(de)宽禁带半导体(ti)功(gong)率(lv)器(qi)件，具(ju)有更(geng)小的(de)(de)(de)导通(tong)电(dian)阻、更(geng)快的(de)(de)(de)开关速度(du)和更(geng)高的(de)(de)(de)阻断电(dian)压等优(you)越(yue)特性，为电(dian)源技术提(ti)供了难得的(de)(de)(de)发展机(ji)遇，采用(yong)(yong)宽禁带半导体(ti)器(qi)件，可以(yi)实现更(geng)高的(de)(de)(de)变换(huan)效(xiao)率(lv)，更(geng)高的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)，更(geng)高的(de)(de)(de)可靠性。

SiC相比Si的(de)巨大优势

SiC功率器件的关键技术问题

SiC 功率器(qi)件虽然具(ju)有低(di)导(dao)通电(dian)阻，高开关频率，耐(nai)高温高压(ya)等多个性能优势，但由(you)于宇航领域工作环境的(de)特殊性，想要广泛应用还(hai)需对以(yi)下几点(dian)重点(dian)研究。

1.封装技术

SiC 功(gong)率(lv)器件具有(you)高(gao)开关频(pin)率(lv)和高(gao)温下(xia)稳(wen)定工作的(de)(de)特点同(tong)样也会带(dai)来(lai)一(yi)些弊端(duan)，例如，SiC功(gong)率(lv)器件对封装的(de)(de)寄生参数极为(wei)敏(min)感，过(guo)快(kuai)的(de)(de)开关速度会导致(zhi)电(dian)(dian)流和电(dian)(dian)压的(de)(de)过(guo)冲(chong)，而开关管(guan)在(zai)工作时(shi)存在(zai)的(de)(de)寄生电(dian)(dian)感会加剧这种过(guo)冲(chong)，最终导致(zhi)功(gong)率(lv)变换器滤(lv)波(bo)部分(fen)的(de)(de)复杂程度加大，以及(ji)(ji)产生过(guo)多的(de)(de)器件损耗、电(dian)(dian)压应力以及(ji)(ji)电(dian)(dian)磁干扰，这些都会降(jiang)低整机的(de)(de)可靠性。

SiC器件封装的挑战

先进的(de)(de)封装技术对降(jiang)低寄生参数(shu)、提高功率模块的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)气坚固性(xing)和(he)可靠性(xing)十分重(zhong)要。有研究者采(cai)用一(yi)种(zhong)在SiC模块中嵌入离散多(duo)层陶瓷电(dian)(dian)(dian)容器作为(wei)去(qu)耦电(dian)(dian)(dian)容的(de)(de)解决(jue)方案，这种(zhong)集成方法(fa)显著地(di)减小了功率器件与去(qu)耦电(dian)(dian)(dian)容器之间的(de)(de)距离，从而减少了功率回路寄生参数(shu)，同(tong)时可以在高开关(guan)速度下实(shi)现(xian)干净的(de)(de)开关(guan)波形，降(jiang)低电(dian)(dian)(dian)磁干扰，提高效率。

功率(lv)器(qi)件(jian)的封(feng)装结构

2.单粒子性能

SiC功率(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)有较强(qiang)的(de)抗总剂(ji)量辐(fu)射(she)能力，适(shi)用(yong)(yong)于卫星(xing)、空(kong)间站等太空(kong)领域，但目前还存(cun)在(zai)单(dan)粒子(zi)(zi)(zi)性能薄弱的(de)问(wen)(wen)题。对于地球大气层以上的(de)空(kong)间应用(yong)(yong)，空(kong)间环境中(zhong)存(cun)在(zai)各种(zhong)高能粒子(zi)(zi)(zi)，宇宙辐(fu)射(she)会导致功率(lv)半导体(ti)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)失效，现有的(de)研(yan)究表明(ming)碳化硅器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)存(cun)在(zai)严重的(de)单(dan)粒子(zi)(zi)(zi)栅穿(single event gate rupture, SEGR)和单(dan)粒子(zi)(zi)(zi)烧毁(hui)(single event burnout, SEB)问(wen)(wen)题，这(zhei)阻(zu)碍了(le)SiC功率(lv)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)在(zai)宇航电(dian)源领域中(zhong)的(de)应用(yong)(yong)。目前国(guo)内已有多个团队正在(zai)进行SiC MOSFET的(de)技术攻(gong)关研(yan)究，旨在(zai)未(wei)来(lai)几(ji)年内攻(gong)克SiC器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)的(de)单(dan)粒子(zi)(zi)(zi)性能薄弱问(wen)(wen)题，满(man)足宇航应用(yong)(yong)条件(jian)(jian)。

高(gao)能宇宙射线

3.可靠、有效(xiao)的驱动(dong)和保护电(dian)路(lu)设计(ji)

SiC功率(lv)器件具有(you)低(di)寄生参(can)数，短路(lu)(lu)耐受时间(jian)段(duan)等(deng)特点(dian)，因此高可(ke)靠性(xing)且有(you)效的驱动(dong)及保(bao)护电(dian)路(lu)(lu)是充分发挥(hui)SiC功率(lv)器件优势的关键，同样(yang)也是宇(yu)航供配电(dian)系统(tong)和二(er)次电(dian)源设计过程中(zhong)的一个关键部分，驱动(dong)电(dian)路(lu)(lu)和保(bao)护电(dian)路(lu)(lu)设计的好(hao)坏直(zhi)接影响着电(dian)源的性(xing)能(neng)。

目前关(guan)于(yu)SiC功率(lv)器件(jian)的(de)(de)驱动和(he)保护(hu)(hu)电(dian)路几乎都处于(yu)实验(yan)研究阶段，尚(shang)未有成熟的(de)(de)应(ying)用，国内(nei)外多(duo)个(ge)科研团(tuan)队(dui)正在(zai)进行相关(guan)技(ji)术研究。在(zai)解决SiC功率(lv)器件(jian)的(de)(de)驱动和(he)保护(hu)(hu)电(dian)路后(hou)，将会实现SiC功率(lv)器件(jian)在(zai)宇航电(dian)源领域(yu)的(de)(de)广泛应(ying)用。

SiC功(gong)率器件(jian)在宇(yu)航(hang)电源领(ling)域的应用前景

尽(jin)管目前SiC功率(lv)器件在(zai)宇(yu)航(hang)领(ling)域还未能获得广泛应(ying)用(yong)，但随(sui)着材(cai)料(liao)技术，制作工艺(yi)，以及电(dian)源(yuan)模(mo)块封装技术的不(bu)断进步，高压大容量SiC功率(lv)器件必将在(zai)电(dian)源(yuan)应(ying)用(yong)中开(kai)辟新(xin)的应(ying)用(yong)领(ling)域，在(zai)宇(yu)航(hang)电(dian)源(yuan)的开(kai)发和改造中更是会(hui)产生重大影响。

1.电(dian)推进系统电(dian)源(yuan)处理单元(yuan)应用(yong)

目前，超(chao)大(da)功率(lv)电(dian)推(tui)进技(ji)术(shu)已经成(cheng)为深空探测等(deng)空间活动(dong)的(de)必备关键技(ji)术(shu)，电(dian)推(tui)进系统的(de)超(chao)大(da)功率(lv)也就(jiu)是(shi)意味着为电(dian)推(tui)进器(qi)提供电(dian)力支持(chi)的(de)电(dian)源处理(li)单元(Power Processing Unit, PPU)要能够实(shi)(shi)现(xian)(xian)高压大(da)电(dian)流，SiC功率(lv)器(qi)件的(de)出现(xian)(xian)使(shi)得超(chao)大(da)功率(lv)PPU的(de)实(shi)(shi)现(xian)(xian)不再成(cheng)为幻想。

美国(guo)针对深(shen)空(kong)探测(ce)(ce)的(de)超大功(gong)率(lv)(lv)电推(tui)进(jin)系统进(jin)行了适(shi)用于300 V高(gao)压母线的(de)PPU功(gong)率(lv)(lv)变换(huan)器(qi)设计(ji)(ji)，该功(gong)率(lv)(lv)变换(huan)器(qi)由两个采用SiC功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件(jian)的(de)7.5 kW全桥(qiao)变换(huan)器(qi)并(bing)联构成，经(jing)测(ce)(ce)试效(xiao)率(lv)(lv)可达98%。未来的(de)超大功(gong)率(lv)(lv)电推(tui)进(jin)采用耐高(gao)压的(de)SiC功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件(jian)进(jin)行PPU设计(ji)(ji)是必(bi)然发展趋势，可以(yi)大大提高(gao)转换(huan)效(xiao)率(lv)(lv)，减小(xiao)PPU体(ti)积。

电推进系统

2.电机驱动器(qi)

随(sui)着航天(tian)器功(gong)率(lv)的增(zeng)加，无(wu)刷(shua)直流(liu)(liu)电(dian)动机、高(gao)(gao)功(gong)率(lv)密度永(yong)磁同步(bu)电(dian)动机被广泛用(yong)于太阳能电(dian)池阵列部(bu)署(shu)(shu)，天(tian)线(xian)部(bu)署(shu)(shu)以(yi)及动量轮控制。由于空间环境中存(cun)在(zai)静(jing)电(dian)放电(dian)和宇宙射线(xian)，国(guo)际(ji)空间站(zhan)使用(yong)的航天(tian)器母线(xian)的最高(gao)(gao)电(dian)压为160 V，要增(zeng)加功(gong)率(lv)需要增(zeng)大(da)(da)电(dian)流(liu)(liu)，而大(da)(da)电(dian)流(liu)(liu)会增(zeng)加散(san)热，增(zeng)加热控制的负(fu)担则会大(da)(da)大(da)(da)降低航天(tian)器的有(you)效(xiao)负(fu)载(zai)能力。

当(dang)将SiC功率器件应(ying)用于航天电(dian)机驱动器时，由于与Si二(er)极管相比具有较小的(de)反向恢复电(dian)流(liu)，因此(ci)SiC二(er)极管可以降低开关损耗。除此(ci)之外，从功耗的(de)观(guan)点出发，可以使用额(e)定电(dian)流(liu)小的(de)装置来代替(ti)(ti)额(e)定电(dian)流(liu)大的(de)装置。例如，将额(e)定电(dian)流(liu)为 200~400 A的(de)Si IGBT模块替(ti)(ti)换为电(dian)流(liu)为120 A的(de)SiC模块。

永磁同步电(dian)动机

3.高压功(gong)率电子调节器(qi)

行波(bo)管功(gong)(gong)率(lv)(lv)放大器是卫星通信系统(tong)中(zhong)非常重(zhong)要(yao)的(de)高(gao)功(gong)(gong)放器件，主要(yao)由大功(gong)(gong)率(lv)(lv)行波(bo)管和高(gao)压电(dian)子功(gong)(gong)率(lv)(lv)调(diao)(diao)节(jie)(jie)器两(liang)部分组成，其中(zhong)供电(dian)的(de)高(gao)压电(dian)子功(gong)(gong)率(lv)(lv)调(diao)(diao)节(jie)(jie)器是行波(bo)管功(gong)(gong)率(lv)(lv)放大器的(de)主要(yao)部分，最高(gao)电(dian)压可达到8kV。

要(yao)用Si基(ji)器件来(lai)实现如此高(gao)的(de)电(dian)压(ya)(ya)输(shu)出需(xu)要(yao)非常复杂(za)的(de)拓扑结构(gou)，而这需(xu)要(yao)很多数量(liang)的(de)开关器件和额外(wai)的(de)二极管来(lai)钳位电(dian)压(ya)(ya)。但是(shi)，当使用SiC功率器件时，可以简化变换(huan)器设计(ji)，减小(xiao)谐振单元的(de)体(ti)(ti)积，同时提(ti)高(gao)效(xiao)率。

卫星行波管功率放大器(qi)

总结

功(gong)率(lv)开关器件是推动电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)技(ji)(ji)术(shu)跨越式发展(zhan)的(de)(de)(de)基石，在攻克SiC功(gong)率(lv)器件后，将转向实现兆赫兹电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)系列问题，如磁性器件高(gao)频(pin)化设计、磁集成技(ji)(ji)术(shu)、高(gao)频(pin)大功(gong)率(lv)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)磁兼容技(ji)(ji)术(shu)等，由(you)此将带(dai)来电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)技(ji)(ji)术(shu)的(de)(de)(de)突破(po)，真正实现高(gao)性能、微型化的(de)(de)(de)新一(yi)代宇航(hang)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，带(dai)来宇航(hang)电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)技(ji)(ji)术(shu)和产品的(de)(de)(de)全面(mian)革新，实现更(geng)小的(de)(de)(de)体积(ji)和重量(liang)、更(geng)优异的(de)(de)(de)性能、更(geng)大的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)和更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)可靠性，从而助力(li)整个航(hang)天技(ji)(ji)术(shu)的(de)(de)(de)发展(zhan)。

参考(kao)来源：

1.碳化(hua)硅(gui)功率器(qi)件在宇(yu)航电源中的研究与(yu)应用，曹宇(yu)翔、张潇、王少宁、李进利（电子(zi)设计工程(cheng)）；

2.碳(tan)化硅功(gong)率(lv)器件的(de)关键技术及标准化研究，葛(ge)海波、夏昊天、孙冰冰（科技传播(bo)）；

3.SiC MOSFET研究及应(ying)用，李新秀（北(bei)京交(jiao)通大学）。

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