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摘要：功率器件是宇航电源的重要组成部分，在整个航天技术快速发展的背景下，现有的宇航电源已无法满足小型化、轻量化、高效率和超大功率化的任务要求。以碳化硅(Silicon Carbide，SiC)为代表的宽禁带功率器件可以将宇航电源的工作频率推向至兆赫兹以上，由此将带来宇航电源技术的突破。综合文献及作者实践，回顾了SiC功率器件的发展，介绍了SiC材料的物理特性，分析了SiC功率器件的优势和研究现状。提出SiC功率器件能够成熟应用于宇航电源中需要解决的关键问题，指出SiC功率器件的高开关频率、低导通电阻等优势能够实现高性能、微型化的宇航电源，并对SiC器件在新一代宇航电源应用中的发展方向做出展望。电源技术从线性电源发展到开关电源，开创了电源技术的新时代，实现了电源的高频化、高效率、小型化，在各个行业都发挥着举足轻重的作用。开关电源的核心器件是作为功率开关管的金属氧化物半导体场效应 晶 体 管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，硅基器件（包括 MOSEFT 和二极管）的广泛应用使开关电源技术快速发展，至今已近五十年，由于材料的限制，硅基器件已经逼近其理论性能的极限，尤其是在高频、高压及大功率领域，已无法满足新一代电源产品需求。随着航天技术的快速发展，作为航天器的重要组成部分——供配电系统和二次电源的发展面临两方面的挑战，一方面是小型化和轻量化，另一方面是大功率和超大功率航天器的需求。在小功率电源的小型化方面目前主要依靠高密度组装的工艺技术实现，例如厚膜工艺技术，但磁性器件和电容器件的体积限制了厚膜电源进一步小型化的可能。在超大功率方面，目前硅基功率器件的功率容量和工作频率已不能满足设计要求。例如，硅基 MOSFET 由于功率容量无法满足超大功率电源设计，所以只能选择硅基绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)器件，目前电源的体积和重量主要受限于磁性器件和电容器的体积，而高频化电源设计是有效减小磁性器件和电容器体积的唯一途径，IGBT 器件一般只能工作在 20 kHz 以下，严重限制了磁性器件和电容器的小体积，因此超大功率电源的体积和重量将变得异常庞大，无法满足航天器总体要求。同时超大功率二次电源产品都朝着高电压趋势发展，尤其是超大功率电推进对电源的需求，而硅基功率器件的电压通常较低，也是限制宇航电源技术发展的主要因素。从上个世纪 90 年代开始，世界范围内的许多科研人员就已经对SiC材料进行了研究，直到本世纪初，SiC 功率器件才进入生产环节。近年来，随着碳化硅肖特基势垒二极管（Silicon Carbide Schottky-Barrier-Diode，SiC SBD）、SiC MOSFET 和全 SiC 功率模块（如图 1 所示）在电力电子系统中的大量应用，使得世界范围内各大半导体厂家和各大科研机构加大了对 SiC 器件的研究力度。 
图 1 SiC 功率器件 世界上主流制作与生产SiC功率半导体器件的公司有 Wolf speed(原 Cree 公司)、罗姆(Rohm)、英飞凌(Infineon)、意法半导体(STMicroelectronics)等。Wolfspeed 是美国的一家生产半导体功率器件的上市公司，2005 年开始生产 4 英寸 SiC 晶片，并且于2011年开发出业界首款全面符合认证的SiCMOSFET，正式进入市场，建立了高能效率功率开关的新标杆；2012 年发布了 6 英寸SiC 晶片并量产，2015 年推出了 1 700 V 的SiC MOSFET。Rohm 是总部位日本京都市的全球知名半导体制造商，在 2010 年就在全球范围内率先开始了 SiC MOSFET 的量产，2015 年开始量产采用沟槽结构的 SiC MOSFET。2018 年实现了 1 700 V SiC 模块商业化，又于 2019 年推出内置 1 700 V SiC MOSFET 的 AC/DC 变换器 IC。Infineon 是德国的一家半导体制造厂商，其于 2001 年率先将 SiC 二极管产品推向产业化，又于2012 年发布了 1 200 V 超级结 SiC JEFT。在2017 年展出了 1 200 V 超级结 SiC MOSFET系列产品，开始批量生产全 SiC 模块。STMicroelectronics 是一家由意大利的 SGS微电子公司和法国 Thomson 半导体公司合并而成的一家企业，于 2014 年在市场上推出了结温达 200 ℃的 SiC MOSFET。SiC 是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，近几年来，SiC 功率器件得到越来越多的商业化应用，在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。例如电动汽车使用SiC模块，其体积减小到原来的 1/5。SiC 肖特基二极管广泛应用于开关电源、不间断电源、光伏逆变器等中高功率领域，显著减少电路损耗，提高工作频率，减小电感等元件体积，提高系统功率密度。以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件，具有更小的导通电阻、更快的开关速度和更高的阻断电压等优越特性，为电源技术提供了难得的发展机遇，采用宽禁带半导体器件，可以实现更高的变换效率，更高的功率密度，更高的可靠性。图 2 给出了 Si 和 SiC 材料主要物理特性的对比。
通过图 2 可以看到，SiC 材料相比于 Si材料有着优异的物理特性，主要包括以下几点：1）禁带宽：与 Si 相比，SiC 的禁带更宽，大约是 Si 的 3 倍，使得其本身需要更大的本征激发能量，因此器件能够在高温下依然正常稳定工作，同时还具有抗辐照特性。2）高击穿场强：SiC 的击穿场强约是Si 的一个数量级，因此能够耐受更高的电压，又因为器件的本身固有导通损耗与其两端电压成反比，即在相同的功率等级的情况下，电压越高，损耗越小。因此可以得出结论，SiC 材料的导通损耗会大大减少。3）高电子饱和漂移速度：SiC 的电子饱和漂移速度是 Si 的 2 倍，由此可知 SiC 器件的开关速度更快，从而使得功率变换器的工作频率大大提高，同时，高工作频率会让变压器、电感等磁性器件的体积更小，进而减小整个功率模块的体积，最终提高了功率模块的功率密度。4）高热导率：SiC 的热导率是 Si 的 3倍以上，因此具有更加优良的散热能力，从而减小散热器体积，提高集成度。5）高熔点：SiC 的熔点大约是 Si 的 2倍，从而使得 SiC 功率器件能够在更高温度下正常工作，SiC 功率器件的最高工作温度甚至可以超过 200 ℃。由此可以看出，SiC 材料器件能够用于高压、大功率场合，具有 Si 材料器件无可比拟的性能优势，可以满足宇航电源轻质量，小体积，高效率的需求。目前，国内外对于 SiC 功率器件的短路特性做了大量研究。文献分析了 SiC MOSFET 的短路失效是由于 SiC 芯片表面的 Al 在高温下融化所导致的。文献通过红外热成像仪记录下了 SiC MOSFET 在短路时热点的形成情况。文献[7]通过仿真试验验证了 SiC MOSFET 在短路时其峰值电流的大小与 SiO2/SiC 在高温的条件下界面的缺陷电荷释放有关。文献[8]通过实验对比了SiC MOSFET 与 Si IGBT 的短路承受时间(Short Circuit Withstand Time, SCWT)，实验中选用 wolf speed 公司电压等级为 1 200 V的 SiC MOSFET 和英飞凌公司电压等级为1200V 的 Si IGBT 来进行对比分析。分别对SiC MOSFET和Si IGBT 栅源级之间施加20V 和 15 V 的电压，以保证管子可靠导通，在器件短路的情况下进行测试，最终得出两只管子的短路电流 id 的波形图 3 所示，SiCMOSFET 在 7.7 µs 处发生短路失效，意味着SiC MOSFET 的短路耐受时间为 7.7 µs，相比之下Si IGBT在40 µs处才发生短路失效。由此可见，SiC MOSFET 的短路耐受时间远远小于 Si IGBT，约是 Si IGBT 五分之一。因此，SiC MOSFET 的短路耐受能力远远低于 Si IGBT。
SiC 功率器件自身的损耗包括三部分：导通损耗、开通损耗和关断损耗。由于 SiC功率器件具有更小的导通电阻，更快的开关速度，因此 SiC 功率器件自身的能量损耗会很小，远远小于 Si 基器件。文献[10]对SiC MOSFET 的损耗与 Si MOSFET 的损耗进行了实验对比分析，功率变换器采用反激式电路拓扑结构，MOS 管作为开关管，先后对两个 MOS 管的栅源级之间施加 12V 的电压进行实验，观察其波形，图 4(a)为 SiC MOSFET 的开关过程波形，图 4(b)为 Si MOSFET 的开关过程波形。图 4 中，CH1显示的是漏源电压 Uds 的波形，CH2 显示的是漏极电流 Id 的波形。由于反激式电路拓扑结构中的开关损耗以关断损耗为主，开通损耗很小，在测试中，二者的开通损耗均为零。从图 5 中可以看出，SiC MOSFET 总损耗为8.85 W；Si MOSFET总损耗为63.6 W。由此可以得出结论，SiC MOSFET 自身损耗远远低于 Si MOSFET，能够进一步提高电源效率。
高可靠性的驱动电路能够使得功率器件发挥更好的性能，国内外相关科研人员在这方面做了大量的研究工作。针对 SiC MOSFET，传统 Si MOSFET 的栅极驱动电路也同样适用，但是二者在物理结构方面有着较大的差异，与 Si MOSFET 相比，SiC MOSFET 的寄生电容更小，具体参数如表 1所示。
SiC MOSFET 具有更小的寄生参数使得开关速度更快，开关频率更高，容易导致电压和电流的过冲，此外 SiC 功率器件的短路耐受能力较差，因此驱动电路具体电路形式相比于 Si MOSFET 会有所不同。SiC MOSFET 驱动电路[12-18]设计需要具备以下要求：3) 驱动电路要能够提供足够大的驱动电压和电流，从而减少 MOS 管损耗；4) 驱动电路使用负压关断，防止 MOS管误导通；6) 需要注意 MOS 管在开关过程中的du/dt 和 di/dt；7) 由于短路承受时间较短，需要对短路保护电路需要进行特殊设计。丹麦奥尔堡大学针对 10 kV 半桥 SiC MOSFET 功率模块，设计了一种带有有源米勒钳位的栅极驱动电路，如图 5 所示，驱动电路选择 IXYS 公司的高速驱动芯片IXDN614 作为主要驱动级，其驱动电流峰值可达到 14 A，并且传播延迟很低；驱动开通电压选取 19 V，关断电压采用-4.5 V 的负电压进行关断；栅极电阻 Rg 为 15Ω，此外，采用有源米勒钳位电路来防止在高 du/dt 的开关瞬态下由于米勒效应导致管子不必要的开启同时保护了 MOS 管。
在双脉冲测试平台下进行测试，测试结果表明，驱动电路具有较好的驱动能力和抑制由于米勒电流而导致 MOS 管误导通从而保护 MOS 管的能力。SiC 功率器件虽然具有低导通电阻，高开关频率，耐高温高压等多个性能优势，但由于宇航领域工作环境的特殊性，想要广泛应用还需解决以下的几个问题。SiC 功率器件具有高开关频率和高温下稳定工作的特点同样也会带来一些弊端，例如，SiC 功率器件对封装的寄生参数极为敏感，过快的开关速度势必会产生高 di/dt 和du/dt，即电流和电压的过冲，又因为开关管在工作时栅漏极环路中存在寄生电感，这会加剧电流和电压的过冲，较大的电压过冲会产生大的共模噪声，结果导致功率变换器滤波部分的复杂程度加大；同时，较大的电流过冲会导致较高电压的超调和振铃，从而产生过多的器件损耗、电压应力以及电磁干扰，最终会降低整机的可靠性。因此，采用先进的封装技术来降低寄生参数、提高功率模块的电气坚固性和可靠性[20]十分重要。如文献[21]描述了一种在 SiC 模块中嵌入离散多层陶瓷电容器作为去耦电容的解决方案。这种集成方法显著地减小了功率器件与去耦电容器之间的距离，从而减少了功率回路寄生参数，抑制了电压超调，提高了电流分担率。同时，这种方法可以在高开关速度下实现干净的开关波形，降低电磁干扰，提高效率。SiC 功率器件有较强的抗总剂量辐射能力，适用于卫星、空间站等太空领域，但目前还存在单粒子性能薄弱的问题。例如耐压等级为1200V的SiC二极管在线性能量传输(Linear Energy Transfer, LET)值为 67.1MeV·cm2/mg 的单粒子试验中，器件反压为300 V 时出现烧毁现象，SiC MOSFET 也存在同样的问题，阻碍了 SiC 功率器件在宇航电源领域中的应用。目前国内已有多个团队正在进行 SiC MOSFET 的技术攻关研究，旨在未来几年年内攻克SiC器件的单粒子性能薄弱问题，满足宇航应用条件。SiC 功率器件具有低寄生参数，短路耐受时间段等特点，因此高可靠性且有效的驱动及保护电路是充分发挥SiC功率器件优势的关键，同样也是宇航供配电系统和二次电源设计过程中的一个关键部分，驱动电路和保护电路设计的好坏直接影响着电源的性能。目前关于SiC功率器件的驱动和保护电路几乎都处于实验研究阶段，尚未有成熟的应用，国内外多个科研团队正在进行相关技术研究。在解决 SiC 功率器件的驱动和保护电路后，将会实现 SiC 功率器件在宇航电源领域的广泛应用。尽管目前SiC功率器件在宇航领域还未能获得广泛应用，但随着材料技术，制作工艺，以及电源模块封装技术的不断进步，高压大容量SiC功率器件必将在电源应用中开辟新的应用领域，在宇航电源的开发和改造中更是会产生重大影响。电源处理单元(Power Processing Unit,PPU)是电推进系统的重要组成部分，为电推进器提供所需要的电力支持，PPU 的高效稳定工作是电推进器稳定工作的重要前提。目前，超大功率电推进技术已经成为深空探测等空间活动的必备关键技术，电推进系统的超大功率也就是意味着 PPU 要能够实现高压大电流，SiC 功率器件的出现使得超大功率 PPU 的实现不在成为幻想。美国针对深空探测的超大功率电推进系统进行了适用于 300 V 高压母线的 PPU 功率变换器设计，该功率变换器由两个采用 SiC 功率器件的7.5 kW 全桥变换器并联构成，经测试效率可达 98%。未来的超大功率电推进需要航天器配备高压电源母线，采用耐高压的 SiC 功率器件进行 PPU 设计是必然发展趋势，可以大大提高转换效率，减小 PPU 体积。随着航天器功率的增加，无刷直流电动机，高功率密度永磁同步电动机被广泛用于太阳能电池阵列部署，天线部署以及动量轮控制。由于空间环境中存在静电放电和宇宙射线，国际空间站使用的航天器母线的最高电压为 160 V，要增加功率需要增大电流，而大电流会增加散热，增加热控制的负担则会大大降低航天器的有效负载能力。当将SiC 功率器件应用于航天电机驱动器时，由于与 Si 二极管相比具有较小的反向恢复电流，因此 SiC 二极管可以降低开关损耗。除此之外，从功耗的观点出发，可以使用额定电流小的装置来代替额定电流大的装置。例如，将额定电流为 200~400 A 的 Si IGBT 模块替换为电流为 120 A 的 SiC 模块。行波管功率放大器是卫星通信系统中非常重要的高功放器件，主要由大功率行波管和高压电子功率调节器两部分组成，其中供电的高压电子功率调节器是行波管功率放大器的主要部分，最高电压可达到 8kV。要用 Si 基器件来实现如此高的电压输出需要非常复杂的拓扑结构，而这需要很多数量的开关器件和额外的二极管来钳位电压。但是，当使用 SiC 功率器件时，可以简化变换器设计，减小谐振单元的体积，同时提高效率。以SiC材料为代表的宽禁带半导体因其具有高耐压、低损耗、高效率等优异特性，被视为“理想器件”而备受期待。在攻克 SiC功率器件后，将转向实现兆赫兹电源的系列问题，如磁性器件高频化设计、磁集成技术、高频大功率电源电磁兼容技术等，由此将带来电源技术的突破，真正实现高性能、微型化的新一代宇航电源。功率开关器件是推动电源技术跨越式发展的基石，SiC 功率器件的出现将推动电源技术更新换代，再创辉煌，由此将带来宇航电源技术和产品的全面革新，引领宇航电源技术的发展，实现更小的体积和重量、更优异的性能、更大的功率和更高的可靠性，从而助力整个航天技术的发展。
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