由於能源成本不斷地上漲和人們積極地在因應全球暖化的現象，電力電子設備的能源效率已經變得越來越重要了。為了提升電力電子設備的能源效率，其關鍵所在就是具有較低功率損失的功率半導體元件技術。在半導體元件中，功率損失的降低可以改善系統效率，並直接帶來能源的節省。降低功率損失同樣是有其效益的，可以縮小系統的體積，並增加像在混合動力及電動汽車領域的市場滲透率。
SiC技術看俏
隨著開關電源和太陽能DC/AC轉換應用逆變器市場不斷地增長，也讓碳化矽(silicon carbide，SiC)功率二極體獲得了廣泛的應用。SiC二極體技術的主要優勢是快速開關且無反向恢復(reverse recovery)。當與超接面FET等快速開關元件一起使用時，SiC二極體能夠實現更高的開關頻率，減少被動元件的數量並降低整體的系統成本。SiC二極體技術的可靠性已在現場應用中得到證明了，藉由採用工業晶圓，以實現SiC的磊晶(epitaxy)和半導體生產製程。接下來的重要一步就是在市場上推出SiC功率開關。
SiC功率開關與SiC二極體一起使用，可以進一步減小開關功率損失，相較於Si超接面FET或IGBT，它具有大幅降低的通態(on-state)功率損失。採用完全基於SiC功率元件系統的另一項效益就是，可以在更高的結溫度情況下工作，且在採用合適的封裝技術之後，元件的工作溫度甚至可以達到250oC。
在SiC功率開關中，MOSFET、JFET和雙極性電晶體(bipolar junction transistor，BJT)是三種相互競爭的技術，它們均可提供樣品或完全上市的成品。快捷半導體已經開發出了額定電壓為1200 V的BJT元件，它與矽功率雙極性電晶體截然不同。它具有很高(接近於100)的電流增益，且在大集電極電流下無衰減；開關速度有如單極元件一樣快，並且非常穩健，沒有二次擊穿的問題。
圖1:BJT主動區和結端橫截面的原理圖
圖1顯示了快捷半導體SiC BJT主動區(active region)的橫截面原理圖，該元件是一種垂直磊晶NPN電晶體，集電極在晶圓的背面。基極-發射極和基極-集電極結可利用乾式蝕刻法來成形，在活動區內有許多窄的發射極梳狀條，由基極-集電極結環繞著。P型離子注入用於形成低電阻基極歐姆接觸面和高壓阻擋接面(blocking junction)終端。蝕刻和曝光的表面被鈍化，在厚絕緣氧化層沉積後進行厚鋁墊(Al pad) 沉積，用於形成發射極和基極。在SiC BJT晶粒(die)的背面進行金屬化，它與標準的晶粒貼片技術相容，正面有厚Al層適合厚Al打線接合(wire bonding)。SiC BJT可提供兩種封裝：標準TO-247和專用高溫金屬TO-258封裝。這些封裝具有兩種不同的晶粒尺寸，分別用於15 A和50 A額定電流。
圖2:室溫下額定15 A的1200 V SiC BJT 的IC-VCE特徵曲線
圖3:額定電流15 A的1200 V SiC BJT的電流增益、VCESAT和VBESAT
圖2顯示了採用TO-247封裝的1200 V BJT在室溫下的IC-VCE特性曲線。BJT具有良好的傳輸特性，並具有確定的導通電阻，與功率MOSFET類似。圖3顯示了電流增益、VCESAT 和VBESAT等特性曲線與集電極電流的關係。電流增益隨集電極電流而增加，並在15 A的額定電流下，達到略高於100的穩定水準。在高集電極電流下，電流增益無衰減，因為SiC中的摻雜濃度高於Si功率BJT。因此，高量注入不會在額定電流情況下發生。圖3顯示了VCESAT 隨集電極電流呈線性增加，且在額定電流IC=15 A時，其值為0.75 V。對於具有4.68 mm2主動區的15 A BJT晶粒，相應的特徵導通電阻(specific on-resistance)僅為2.3 mWcm2。就我們現在所掌握的知識，對於任何1200 V額定功率元件，這是最小的特徵導通電阻。在VCEO=1200 V時的關斷狀態(open-base)下，15 A BJT的漏電流小於10 mA，並且擊穿電壓的典型值是1500V。
圖4顯示了15 A 1200 V BJT在IC=12 A和800 V及150 ˚C下的開關測量值，其結果是VCE上升時間和下降時間落在10-30 ns範圍內。即便在150 °C下，關斷性能也無尾電流(tail-current)，因為BJT的儲存電荷非常少，可以推動BJT進入深度飽和，而無開關速度的損失。在通態(on-state)期間，SiC BJT的快速開關是由於基極區和集電極區中儲存的自由載流子電荷較少，所以可以忽略對開關性能的影響。開關速度只受寄生的基極-集電極和基極-發射極電容控制，因此可證明開關速度和開關功率損失極可能與溫度無關。
為了實現快速開關，在導通(turn-on)和關斷(turn-off)期間，使用提供高動態基極電流的驅動電路是非常重要的。圖4中的開關波形包含了不需要的振盪，它的產生是因為TO-247封裝和測試電路中的寄生電感。藉著把BJT晶粒封裝在具有最小電感的電源模組中，並將用於驅動電路和發射極間連接的引腳分開，可以獲得改進的開關性能。
圖4:在T=150 C與IC=12 A和VCE=800 V下，導通(上)和關斷(下)的開關測量值
快捷半導體與Danfoss Silicon Power和德國基爾應用科學大學(University of Applied Sciences Kiel)合作，研發出了具有多個並聯BJT晶片的原型電源模組。原型電源模組包含了兩個引線，有六個並聯連接的50 A SiC BJT晶粒和六個反向並聯的50 A SiC蕭特基(Schottky)二極體晶粒。該電源模組的尺寸為61 mm x 49 mm，採用銀燒結貼片技術，以環氧樹脂封裝。圖5顯示了單引線BJT模組的IC-VCE 特性曲線。在IC=300 A下，正向壓降VCESAT只有1.0 V。
圖5:使用六個平行50 A 1200 V BJT晶粒，以環氧樹脂封裝的原型電源模組的單引線之IC-VCE特徵曲線
SiC BJT 取代Si IGBT的可行性
來自SiC BJT的外部元件評估結果是肯定的[參考文獻1及2]。模擬結果指出，假如可以用SiC BJT 取代Si IGBT，在PV逆變器中使用1200 V元件，升壓轉換器的開關頻率可以從16 kHz提高到64 kHz，而不會增加整體的功率損失[參考文獻3]。採用SiC BJT和SiC蕭特基二極體且完全基於SiC的電源模組技術，對於PV逆變器和高階馬達驅動，能夠提高效率和增加開關頻率。我們可提供驅動電路指南和應用指南以支援SiC BJT技術，為客戶提供改善能源效率的解決方案。也提供採用特殊金屬TO-258封裝的SiC BJT，這些產品以高溫電力電子設備的應用為目標，例如石油和天然氣鑽探及航空。
參考文獻
[1] D. Peftitsis, J. Rabkowski, G. Tolstoy and H-P. Nee, “Experimental comparison of dc-dc boost converters with SiC JFETs and SiC bipolar transistors”, Proceedings of the 14th European Conference on Power Electronics and Applications, Paper 326, 2011
[2] A. Hensel, D. Kranzer and C. Wilhelm, “Development of a Boost Converter for PV Systems Based on SiC BJTs”, Proceedings of the 14th European Conference on Power Electronics and Applications, Paper 685, 2011
[3] A. Lindgren and M. Domeij, “Fast switching 1200 V 50 A BJTs in boost converters”, Proceedings of the 14th European Conference on Power Electronics and Applications, Paper 493, 2011
