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邹小(xiao)姐：13326633089 -
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乘着(zhe)新(xin)能(neng)源(yuan)(yuan)车销量(liang)暴(bao)涨的(de)东风，极具潜力和(he)(he)(he)市场空间的(de)第三(san)代半(ban)导(dao)体材料碳化硅当下(xia)已成为半(ban)导(dao)体界(jie)的(de)“当红(hong)炸子鸡”，采用碳化硅功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件可助力新(xin)能(neng)源(yuan)(yuan)汽车提(ti)升(sheng)加速度、降低系统成本(ben)、增(zeng)加续航(hang)(hang)里(li)程以及实(shi)现轻(qing)量(liang)化等。但其(qi)实(shi)碳化硅的(de)优越性能(neng)使(shi)其(qi)在(zai)更多尖(jian)端领域有着(zhe)迫切的(de)需(xu)求。随着(zhe)航(hang)(hang)天技(ji)术(shu)的(de)快速发展(zhan)，作为航(hang)(hang)天器(qi)的(de)重(zhong)要组(zu)成部分——供配(pei)电系统和(he)(he)(he)二次电源(yuan)(yuan)的(de)发展(zhan)面(mian)临两(liang)方面(mian)的(de)挑战，一方面(mian)是小型(xing)化和(he)(he)(he)轻(qing)量(liang)化，另一方面(mian)是大功(gong)率(lv)(lv)和(he)(he)(he)超大功(gong)率(lv)(lv)航(hang)(hang)天器(qi)的(de)需(xu)求。在(zai)超大功(gong)率(lv)(lv)方面(mian)，目前硅基(ji)功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件的(de)功(gong)率(lv)(lv)容(rong)量(liang)和(he)(he)(he)工作频率(lv)(lv)已不能(neng)满足设计(ji)要求，限制了宇航(hang)(hang)电源(yuan)(yuan)技(ji)术(shu)的(de)发展(zhan)，因(yin)此SiC功(gong)率(lv)(lv)器(qi)件的(de)替代应用已势在(zai)必行。
SiC功率器件(jian)的优势
电(dian)(dian)(dian)源技术从线性电(dian)(dian)(dian)源发展到开关电(dian)(dian)(dian)源，开创了电(dian)(dian)(dian)源技术的新时代(dai)，实现了电(dian)(dian)(dian)源的高(gao)频化(hua)、高(gao)效率(lv)、小(xiao)型化(hua)，在各个行业都(dou)发挥着举(ju)足轻重(zhong)的作(zuo)用。开关(guan)电源的(de)核(he)心器(qi)件是作为功率(lv)开关管的(de)金属氧化物半导体(ti)场效应(ying)晶体(ti)管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，目(mu)前电源的体积和(he)重量主要(yao)受(shou)限于磁性器件和(he)电容器的体积，而高(gao)频化电源设(she)计是有效(xiao)减(jian)小(xiao)(xiao)磁性(xing)器件和(he)电(dian)(dian)容器体(ti)(ti)(ti)积(ji)的唯一途径(jing)，硅(gui)基IGBT器件一般只能工作在20 kHz以下，严重(zhong)限(xian)制了(le)磁性(xing)器件和(he)电(dian)(dian)容器的小(xiao)(xiao)体(ti)(ti)(ti)积(ji)，因此超(chao)大功率电(dian)(dian)源的体(ti)(ti)(ti)积(ji)和(he)重(zhong)量(liang)将变得异常(chang)庞大，无法满足航(hang)天器总(zong)体(ti)(ti)(ti)要求。同(tong)时超(chao)大功率二次电(dian)(dian)源产品都朝着(zhe)高电(dian)(dian)压(ya)趋势(shi)发展，而硅(gui)基功率器件的电(dian)(dian)压(ya)通(tong)常(chang)较低，也(ye)是限(xian)制宇航(hang)电(dian)(dian)源技(ji)术发展的主要因素。
SiC是目前发(fa)展最成熟的(de)(de)宽(kuan)禁(jin)带半导体材料，近几年来(lai)(lai)得到越来(lai)(lai)越多(duo)的(de)(de)商(shang)业(ye)化应用(yong)，在光伏、风(feng)电(dian)、电(dian)动(dong)汽(qi)车及轨道交通(tong)等(deng)中高(gao)功率(lv)电(dian)力系统应用(yong)上具有巨大的(de)(de)优势。例如电(dian)动(dong)汽(qi)车使用(yong)SiC模块，其体积减小到原(yuan)来(lai)(lai)的(de)(de)1/5。以SiC为(wei)代表的(de)(de)宽(kuan)禁(jin)带半导体功率(lv)器(qi)件(jian)，具有更(geng)(geng)小的(de)(de)导通(tong)电(dian)阻、更(geng)(geng)快的(de)(de)开(kai)关速(su)度(du)和更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)阻断电(dian)压等(deng)优越特性(xing)(xing)，为(wei)电(dian)源技术提供了(le)难得的(de)(de)发(fa)展机遇，采(cai)用(yong)宽(kuan)禁(jin)带半导体器(qi)件(jian)，可以实现(xian)更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)变换(huan)效率(lv)，更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)功率(lv)密度(du)，更(geng)(geng)高(gao)的(de)(de)可靠性(xing)(xing)。
SiC相比Si的巨大优势(shi)
SiC功(gong)率器件的关(guan)键技(ji)术问题
SiC 功率(lv)(lv)器(qi)件虽然具有低导(dao)通电阻，高开关频率(lv)(lv)，耐高温高压(ya)等多个(ge)性(xing)(xing)能(neng)优势，但由于宇(yu)航领域工(gong)作环境的特(te)殊性(xing)(xing)，想要广泛应用还需对以下几点重点研究。
1.封(feng)装技术
SiC 功(gong)率(lv)器(qi)件具有高开(kai)(kai)关频率(lv)和高温(wen)下(xia)稳定工(gong)作(zuo)的(de)特点(dian)同(tong)样(yang)也会带来一(yi)些弊端(duan)，例如，SiC功(gong)率(lv)器(qi)件对(dui)封装的(de)寄(ji)生(sheng)参数极为敏(min)感，过快的(de)开(kai)(kai)关速度(du)会导致电(dian)(dian)流和电(dian)(dian)压(ya)的(de)过冲(chong)(chong)，而(er)开(kai)(kai)关管在工(gong)作(zuo)时存在的(de)寄(ji)生(sheng)电(dian)(dian)感会加剧这(zhei)种过冲(chong)(chong)，最终导致功(gong)率(lv)变换器(qi)滤(lv)波部分的(de)复杂程度(du)加大，以及产生(sheng)过多(duo)的(de)器(qi)件损(sun)耗、电(dian)(dian)压(ya)应力(li)以及电(dian)(dian)磁干扰，这(zhei)些都(dou)会降低整机的(de)可(ke)靠性。
SiC器件封装(zhuang)的挑战
先进的(de)封装技术对降低(di)寄生参数(shu)、提高功(gong)(gong)率(lv)模块(kuai)的(de)电气坚固性(xing)和可(ke)靠性(xing)十(shi)分(fen)重要。有(you)研究者采用一种在SiC模块(kuai)中嵌入离散多层陶瓷电容(rong)器作为去耦电容(rong)的(de)解决方案(an)，这种集(ji)成方法显著地减(jian)小了功(gong)(gong)率(lv)器件与去耦电容(rong)器之间的(de)距离，从而(er)减(jian)少了功(gong)(gong)率(lv)回路寄生参数(shu)，同时(shi)可(ke)以在高开关速度(du)下实现(xian)干(gan)(gan)净的(de)开关波形，降低(di)电磁干(gan)(gan)扰，提高效率(lv)。
功率(lv)器(qi)件的封装(zhuang)结构
2.单粒子性能(neng)
SiC功率器(qi)件(jian)有较强的抗(kang)总剂量辐射能(neng)力，适用于卫星、空(kong)间站等(deng)太空(kong)领(ling)域(yu)，但目前还存在(zai)单(dan)(dan)粒子(zi)性(xing)能(neng)薄弱(ruo)的问题(ti)。对于地球大(da)气层以上的空(kong)间应用，空(kong)间环境中存在(zai)各种(zhong)高能(neng)粒子(zi)，宇(yu)(yu)宙辐射会导(dao)致功率半导(dao)体(ti)器(qi)件(jian)失效(xiao)，现有的研究(jiu)(jiu)表(biao)明碳化硅(gui)器(qi)件(jian)存在(zai)严重(zhong)的单(dan)(dan)粒子(zi)栅穿(single event gate rupture, SEGR)和单(dan)(dan)粒子(zi)烧毁(single event burnout, SEB)问题(ti)，这阻碍了SiC功率器(qi)件(jian)在(zai)宇(yu)(yu)航电(dian)源(yuan)领(ling)域(yu)中的应用。目前国内(nei)已有多个团队正在(zai)进行(xing)SiC MOSFET的技术(shu)攻关研究(jiu)(jiu)，旨在(zai)未来(lai)几年内(nei)攻克(ke)SiC器(qi)件(jian)的单(dan)(dan)粒子(zi)性(xing)能(neng)薄弱(ruo)问题(ti)，满足宇(yu)(yu)航应用条件(jian)。
高(gao)能宇宙射线
3.可靠、有(you)效(xiao)的驱动和保护(hu)电路设计
SiC功(gong)率(lv)(lv)器件具(ju)有(you)低寄生参数，短路耐受时(shi)间段等特点，因此高可靠性(xing)(xing)且有(you)效的驱动(dong)及保(bao)护电(dian)路是充分发(fa)挥SiC功(gong)率(lv)(lv)器件优势的关键，同(tong)样也是宇航供(gong)配(pei)电(dian)系(xi)统(tong)和二次电(dian)源(yuan)(yuan)设(she)计过(guo)程中(zhong)的一个关键部分，驱动(dong)电(dian)路和保(bao)护电(dian)路设(she)计的好坏直接影响着(zhe)电(dian)源(yuan)(yuan)的性(xing)(xing)能。
目前关(guan)于(yu)SiC功(gong)率器件的(de)驱动和(he)保护(hu)(hu)电(dian)(dian)路几乎都处于(yu)实验研(yan)究阶段，尚未有成熟的(de)应用(yong)，国内外多(duo)个科研(yan)团(tuan)队正在(zai)进行(xing)相关(guan)技(ji)术(shu)研(yan)究。在(zai)解(jie)决SiC功(gong)率器件的(de)驱动和(he)保护(hu)(hu)电(dian)(dian)路后，将(jiang)会(hui)实现SiC功(gong)率器件在(zai)宇航(hang)电(dian)(dian)源领(ling)域(yu)的(de)广泛应用(yong)。
SiC功(gong)率器件(jian)在宇航电源(yuan)领域(yu)的应用前(qian)景
尽管目前(qian)SiC功率(lv)器(qi)(qi)件在宇航领(ling)(ling)域还(hai)未(wei)能获得广泛应用(yong)，但随(sui)着材料技(ji)术(shu)，制作工(gong)艺，以及电(dian)源(yuan)模块封装技(ji)术(shu)的(de)(de)不断进步(bu)，高压大容(rong)量SiC功率(lv)器(qi)(qi)件必将在电(dian)源(yuan)应用(yong)中(zhong)开辟新的(de)(de)应用(yong)领(ling)(ling)域，在宇航电(dian)源(yuan)的(de)(de)开发(fa)和改造(zao)中(zhong)更是会产生重大影响。
1.电(dian)推进系统(tong)电(dian)源处(chu)理单(dan)元应(ying)用(yong)
目(mu)前(qian)，超(chao)大(da)(da)功(gong)率(lv)电(dian)推(tui)进技(ji)术已经成(cheng)为(wei)深空探测等空间活动的必(bi)备关键(jian)技(ji)术，电(dian)推(tui)进系统的超(chao)大(da)(da)功(gong)率(lv)也就是意味着为(wei)电(dian)推(tui)进器提(ti)供电(dian)力支持的电(dian)源处理单元(yuan)(Power Processing Unit, PPU)要能够实(shi)现(xian)高压大(da)(da)电(dian)流，SiC功(gong)率(lv)器件的出现(xian)使(shi)得超(chao)大(da)(da)功(gong)率(lv)PPU的实(shi)现(xian)不再成(cheng)为(wei)幻想。
美国针对深空探测的超大(da)功(gong)率电(dian)推(tui)进(jin)(jin)(jin)系统(tong)进(jin)(jin)(jin)行了适(shi)用于300 V高(gao)压(ya)母线的PPU功(gong)率变换(huan)器设计(ji)，该功(gong)率变换(huan)器由两个采(cai)用SiC功(gong)率器件的7.5 kW全桥变换(huan)器并联(lian)构成，经测试效(xiao)率可(ke)达98%。未来的超大(da)功(gong)率电(dian)推(tui)进(jin)(jin)(jin)采(cai)用耐高(gao)压(ya)的SiC功(gong)率器件进(jin)(jin)(jin)行PPU设计(ji)是必然发展趋(qu)势(shi)，可(ke)以大(da)大(da)提(ti)高(gao)转(zhuan)换(huan)效(xiao)率，减小PPU体(ti)积。
电推进系(xi)统
2.电机驱动器
随着航(hang)天(tian)(tian)器(qi)功(gong)率的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，无(wu)刷直流电(dian)(dian)动(dong)(dong)机、高功(gong)率密度永磁(ci)同步电(dian)(dian)动(dong)(dong)机被(bei)广(guang)泛用于太阳能(neng)(neng)电(dian)(dian)池阵列部署(shu)，天(tian)(tian)线部署(shu)以及动(dong)(dong)量(liang)轮控(kong)制。由(you)于空间环境中(zhong)存在(zai)静电(dian)(dian)放电(dian)(dian)和宇(yu)宙射线，国(guo)际空间站使用的(de)(de)(de)航(hang)天(tian)(tian)器(qi)母线的(de)(de)(de)最高电(dian)(dian)压(ya)为160 V，要增(zeng)(zeng)加(jia)功(gong)率需要增(zeng)(zeng)大(da)电(dian)(dian)流，而大(da)电(dian)(dian)流会(hui)(hui)增(zeng)(zeng)加(jia)散热，增(zeng)(zeng)加(jia)热控(kong)制的(de)(de)(de)负担则会(hui)(hui)大(da)大(da)降低航(hang)天(tian)(tian)器(qi)的(de)(de)(de)有效负载能(neng)(neng)力。
当将SiC功率(lv)器(qi)件应(ying)用于航天电(dian)机驱动器(qi)时，由于与Si二极(ji)管(guan)相比具有较小(xiao)的(de)反向恢复电(dian)流(liu)，因此SiC二极(ji)管(guan)可以降低开关损耗。除此之外，从(cong)功耗的(de)观点出(chu)发，可以使用额定电(dian)流(liu)小(xiao)的(de)装(zhuang)置(zhi)来(lai)代替(ti)额定电(dian)流(liu)大的(de)装(zhuang)置(zhi)。例如，将额定电(dian)流(liu)为(wei)(wei) 200~400 A的(de)Si IGBT模块替(ti)换为(wei)(wei)电(dian)流(liu)为(wei)(wei)120 A的(de)SiC模块。
永磁同步(bu)电(dian)动机
3.高压功率电子调节器
行(xing)(xing)波(bo)管功率(lv)放大器(qi)是(shi)卫(wei)星通信系统中非常重(zhong)要(yao)的(de)高(gao)功放器(qi)件，主(zhu)要(yao)由大功率(lv)行(xing)(xing)波(bo)管和(he)高(gao)压(ya)电(dian)子功率(lv)调节器(qi)两部分组成(cheng)，其中供电(dian)的(de)高(gao)压(ya)电(dian)子功率(lv)调节器(qi)是(shi)行(xing)(xing)波(bo)管功率(lv)放大器(qi)的(de)主(zhu)要(yao)部分，最高(gao)电(dian)压(ya)可达到8kV。
要(yao)用(yong)(yong)Si基器件(jian)(jian)来实(shi)现如(ru)此(ci)高(gao)的(de)电压输出需要(yao)非常复(fu)杂的(de)拓(tuo)扑结构，而这需要(yao)很多数量的(de)开关器件(jian)(jian)和额外(wai)的(de)二极管来钳位电压。但是，当(dang)使用(yong)(yong)SiC功(gong)率器件(jian)(jian)时(shi)，可以简化变(bian)换(huan)器设计，减小(xiao)谐振(zhen)单元的(de)体(ti)(ti)积，同(tong)时(shi)提高(gao)效率。
卫(wei)星行波管功率放大(da)器
总结
功率(lv)开关器件是推(tui)动电源(yuan)(yuan)技(ji)术(shu)(shu)(shu)跨越(yue)式发展(zhan)的(de)(de)基石，在攻克SiC功率(lv)器件后，将转向(xiang)实(shi)现(xian)(xian)兆赫兹电源(yuan)(yuan)的(de)(de)系列(lie)问(wen)题，如(ru)磁(ci)(ci)性(xing)(xing)器件高(gao)频(pin)化(hua)设计、磁(ci)(ci)集(ji)成技(ji)术(shu)(shu)(shu)、高(gao)频(pin)大功率(lv)电源(yuan)(yuan)电磁(ci)(ci)兼(jian)容技(ji)术(shu)(shu)(shu)等，由此将带来(lai)电源(yuan)(yuan)技(ji)术(shu)(shu)(shu)的(de)(de)突破，真正实(shi)现(xian)(xian)高(gao)性(xing)(xing)能(neng)、微型化(hua)的(de)(de)新(xin)一(yi)代宇(yu)航电源(yuan)(yuan)，带来(lai)宇(yu)航电源(yuan)(yuan)技(ji)术(shu)(shu)(shu)和(he)(he)(he)产品的(de)(de)全面革新(xin)，实(shi)现(xian)(xian)更小(xiao)的(de)(de)体积和(he)(he)(he)重量、更优(you)异(yi)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)、更大的(de)(de)功率(lv)和(he)(he)(he)更高(gao)的(de)(de)可靠性(xing)(xing)，从而(er)助力整个航天技(ji)术(shu)(shu)(shu)的(de)(de)发展(zhan)。
参考(kao)来(lai)源：
1.碳化硅功(gong)率器件(jian)在宇航电源中的研(yan)究与应用，曹宇翔(xiang)、张潇、王少宁、李进利（电子设(she)计工程）；
2.碳(tan)化硅功率器(qi)件的关键技(ji)术(shu)及(ji)标准(zhun)化研究，葛海(hai)波、夏(xia)昊天、孙冰冰（科技(ji)传播）；
3.SiC MOSFET研究及应用，李新秀（北京交通大学）。
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