Demonstrations of high voltage SiC materials, devices and applications in the solid state transformer

材料科学 光电子学 功率半导体器件 碳化硅 薄脆饼 电压 击穿电压 高压 功率MOSFET 电气工程 变压器 外延 兴奋剂 MOSFET 图层(电子) 晶体管 纳米技术 复合材料 工程类
作者
Fei Yang,Xinling Tang,Xiaoguang Wei,Ling Sang,Rui Liu,Song Bai,Tonghua Peng,Guoliang Zhao,Peng Yang,Tongtong Yang,Guangfu Tang
出处
期刊:Journal of Crystal Growth [Elsevier BV]
卷期号:604: 127059-127059 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.jcrysgro.2022.127059
摘要

High voltage SiC power devices have been proven as the potential candidates in replacing the Si counterparts to improve the overall power converting efficiency of the power grids and power systems. In this paper, the demonstrations of high voltage materials and devices along with the applications in the power electronic transformer are presented. Through optimizing the temperature and pressure fields, the grown wafer is totally 4H-SiC and no foreign type exists. The FWHM (Full Width at Half Maximum) of the X-ray rocking curve is 23 arcsec, which indicates a high crystalline quality. Moreover, a thick epitaxial layer is then grown on the wafer. The BPD (Basal Plane Dislocation) density of the epitaxial layer is eliminated by converting the BPD to TED (Threading Edge Dislocation) through a proposed doping-induced defect evolution technology. Furthermore, the high voltage SiC MOSFETs with a blocking voltage of over 6.5 kV are fabricated by optimizing the cell and termination structures. The channel region and JFET region are optimized to further improve the device performance. The typical current conducting capability of a single MOSFET is up to 25 A and the breakdown voltage reaches 7.8 kV at a leakage current of 10 μA. The devices are then packaged to form the 6.5 kV/400 A power modules. The current balancing and thermal designs are taken into consideration to improve the reliability of power modules. Finally, the developed SiC modules are applied in a solid state transformer to demonstrate the advantages of SiC devices. The work presented in this article provides an important guide in developing high voltage and high current SiC power devices.
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