国际首台基于自主6.5kV/400A SiC MOSFET模块的35kV/5MW电力电子变压器顺利通过全部型 ...

高压碳化硅材料、芯片、模块成果汇总

简讯

在国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项支持下

国网智研院功率半导体研究所

联合中科院半导体所、天科合达、中国电科五十五所、株洲中车、浙江大学、国网智研院电力电子研究所、国网河北省电力公司、华北电力大学、电子科大、西安电子科大、山东大学、华中科大、中科院微电子所、中国电科十三所、许继电气、国网福建省电力公司、中电普瑞

共18家科研院所、高校及产业单位

经历了6年的自主攻关

实现了6.5kV级碳化硅材料-芯片-器件-测试-驱动-装置应用

全链条技术突破

研制了同电压等级国际上电流最大的6.5kV/400A碳化硅MOSFET模块

应用于35kV/5MW全碳化硅电力电子变压器

并在雄安智慧驿站柔性变电站成功投运

项目背景

新材料新未来

碳化硅（SiC）作为宽禁带半导体材料的典型代表，击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强，与相同结构的硅器件相比，碳化硅器件可以达到10倍的耐压，4倍的电流，10倍的工作频率，耐高温工作，采用高压碳化硅器件研制的电力电子装置可以采用新型拓扑，大幅度提升功率密度，减小损耗，支撑新一代电力系统先进电力电子装备研制。

▲碳化硅材料性能优异

▲碳化硅器件具有高压、大电流、高频、耐高温等优良特性

▲采用碳化硅器件的装置可大幅提升功率密度，降低损耗

全链条技术突破

面向新一代电力系统核心装备技术需求，聚焦碳化硅材料、器件国产化，项目组针对电力电子变压器技术需求进行任务分解，制定了各环节、各层级研发的详尽技术规则、规范，经过多轮次反馈迭代，打通了高压大功率碳化硅MOSFET技术路线，实现了材料-芯片-器件-测试-应用验证全技术链协同创新，推动了国产高压大功率碳化硅材料、器件产业化，为电力电子装置原始创新和国际技术引领提供了坚强支撑。

标志性成果

功率半导体研究所联合国内各领域顶尖技术力量

开启了低缺陷密度材料、高压大电流芯片、高压大容量器件封装、高压快速开关测试、碳化硅新体系驱动及变压器

全链条的原始技术创新之路

01 | 大尺寸低缺陷材料

高压碳化硅芯片的性能、良率及成本受材料质量影响极大，立项之初，国内无大尺寸单晶、无低缺陷厚外延材料，严重制约高压大电流碳化硅芯片的自主研发。技术团队针对高压碳化硅器件对外延材料、外延对衬底材料的定制化需求，开展温场控制、应力控制及释放、厚外延生长、低缺陷控制等技术研究，攻克了高压碳化硅器件对6英寸单晶衬底扩径生长、缺陷密度控制和大尺寸外延缺陷控制、快速外延生长等技术难题，研制了高质量国产单晶衬底，实现了低缺陷密度厚外延材料制备。

大尺寸高质量SiC单晶材料

低缺陷密度60μm SiC厚外延材料

02 | 高压大电流芯片

高压模块多芯片并联封装成对于芯片提出了更高的要求，电压高、电流大、一致性好。项目团队基于自主研制的低缺陷厚外延材料，提出了低表面电场强度的高压芯片终端结构，攻克了高质量栅氧、短沟道自对准技术等关键工艺，解决了设计和工艺兼容性差、导通电阻大、碎片率高等一系列难题，在国内首次掌握了6英寸碳化硅芯片全流程工艺，国内首次批量研制高耐压、高通流能力的6.5 kV/25 A SiC MOSFET芯片，通过高温栅偏、高温反偏等系列可靠性测试。芯片技术指标达到国际产品相同水平，部分关键指标优于国际同型器件。

6.5kV/25A SiC MOSFET晶圆

6.5kV/25A SiC MOSFET 阻断特性

6.5kV/25A SiC MOSFET 输出特性

03 | 高压大容量器件封装

高压大容量碳化硅器件封装面临着并联封装的电磁热均衡难、高电场强度下的绝缘配合难、碳化硅封装的工艺尚处于空白状态的困境，项目团队开发了高压绝缘设计、高导热性焊接、高可靠性绝缘灌封等核心技术，突破了高压、低寄生参数封装的技术瓶颈，创新地提出了基于转移曲线距离系数的芯片聚类分组方法，解决了大电流封装面临的多芯片并联均流难题，成功研制了国际上同电压等级电流最大6.5kV/400A SiC MOSFET模块。

6.5kV/400A SiC MOSFET 模块

6.5kV/400A SiC MOSFET 器件持续运行试验中

6.5kV/400A SiC MOSFET器件持续运行试验波形

04 | 高压快速开关测试

碳化硅器件的开关速度、驱动电压、寄生二极管特性、短路特性与硅器件有显著差异，业内缺乏高压大功率碳化硅器件专用动态测试设备，没有成熟的测试技术。为应对典型工况及极端工况，准确评估器件的实际性能，技术团队开展了芯片高精度在片测试技术、模块纳秒级快速开关技术、高温栅氧性能评估技术研究，建成了国内首套6.5kV/400A SiC MOSFET模块动态测试平台，系统寄生参数低，克服了现有商业测试平台的不足。

自研碳化硅MOSFET器件动态测试平台

自研25kV/4kA SiC器件静态测试平台

05 | 碳化硅新体系驱动及变压器

基于高压碳化硅器件的全新的电力电子变压器，在拓扑、驱动、控制保护、高频化、小型化各个方面都需要技术突破。技术团队将三个功率波动的单相进行电磁耦合，实现功率波动自平衡，从而减小电容器容值甚至省去电容器；研制了适配高压碳化硅器件高速特性的驱动芯片，通过栅极驱动电压阶梯控制减小开关振荡，通过直接电流检测，实现无开通盲区时间的快速保护；建立电磁场、温度场、应力场等多物理场仿真模型，通过系统的屏蔽层、水冷散热设计，进行材料、结构优化，实现了高功率密度变压器的良好散热。通过高压碳化硅器件高速驱动保护、碳化硅电力电子变压器高性能控制保护、集成测试等关键技术突破，国际上首次研制了35kV/5MW全碳化硅电力电子变压器并实现示范应用。

全碳化硅电力电子变压器样机

工程现场碳化硅电力电子变压器持续稳定运行

来源：功率半导体之家