目前，國內(nèi)外大多數(shù)電力電子功率器件都采用硅基半導(dǎo)體材料，經(jīng)過幾十年的不斷改良和優(yōu)化，其性能已接近硅材料的理論極限。以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料功率器件在各項性能指標(biāo)上較現(xiàn)有硅基功率器件有飛躍性的提升，正在引領(lǐng)電力電子領(lǐng)域的一次技術(shù)革命。

SiC功率器件憑借其卓越性能而被不斷應(yīng)用于光伏發(fā)電、電動汽車、列車牽引和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。

圖1、綠色能源 來源：pixabay

一、碳化硅技術(shù)產(chǎn)品特性

作為寬禁帶材料，與Si相比，SiC（4H-SiC）具有3倍的禁帶寬度，10倍以上的臨界電場強(qiáng)度，2倍以上的電子飽和漂移速度，高熔點（2830℃），3倍的導(dǎo)熱率等特性。相應(yīng)開發(fā)的 SiC 電力電子器件和模塊具有以下優(yōu)異的特性：

圖2、不同材料開關(guān)器件物理參數(shù)對比

圖3、SiC電力電子器件的優(yōu)勢

因此，SiC器件能夠滿足航空航天、電力傳輸、機(jī)車牽引、高效光伏發(fā)電及風(fēng)電系統(tǒng)、新能源汽車、現(xiàn)代國防武器裝備等重大戰(zhàn)略領(lǐng)域?qū)Ω咝阅堋⒋蠊β孰娏﹄娮悠骷钠惹行枨?，被譽為是帶動“新能源革命”的“綠色能源”發(fā)展的器件。

二、SiC 功率器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

SiC功率器件主要包括：SiC二極管，SiC開關(guān)管和SiC功率模塊。SiC二極管又分為SBD二極管和PiN二極管。SiC開關(guān)管分為SiC MOSFET、SiC JFET和SiC IGBT等；SiC功率模塊分為全SiC功率模塊和混合SiC功率模塊。

圖4、SiC功率器件分類

（1）SiC SBD

肖特基勢壘二極管（簡稱 SBD），其特點為反向恢復(fù)時間極短（可以小到幾納秒），正向?qū)▔航祪H0.4V左右。多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護(hù)二極管，也有用在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。在國內(nèi)，泰科天潤于2014年生產(chǎn)了涵蓋600~3000 V中高壓范圍的SiC SBD，其中600 V/10A、1200 V /20 A等4H-SiC SBD成品率達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

（2）SiC MOSFET

SiC MOSFET 具有正向?qū)娮璧?、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，用于開關(guān)目的和電子設(shè)備中電子信號的放大。其中，比亞迪微電子團(tuán)隊于2017年自主研發(fā)出了適合于新能源汽車使用的兩款SiC功率MOSFET器件；2019年，深圳基本半導(dǎo)體有限公司率先推出國內(nèi)首款通過工業(yè)級可靠性測試的1200 V SiCMOSFET，進(jìn)入小批量生產(chǎn)。

（3）SiC 功率模塊

功率模塊是功率電力電子器件按一定的功能組合再灌封成一個模塊。作用：具有GTR （大功率晶體管）高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點，以及MOSFET （場效應(yīng)晶體管）高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點。2017年，比亞迪微電子團(tuán)隊研制開發(fā)了1200 V/200 A和1200 V/400 A 全SiC功率模塊。2019年，世紀(jì)金光半導(dǎo)體有限公司成功開發(fā)出規(guī)格為1200 V /600 A的大功率SiC模塊產(chǎn)品。同年，深圳基本半導(dǎo)體有限司對1200 V /200 A車規(guī)級全SiC功率模塊。

三、碳化硅器件在節(jié)能減排領(lǐng)域的應(yīng)用

作為下一代電力電子器件發(fā)展的主要方向，SiC器件將為節(jié)能減排領(lǐng)域帶來重要的技術(shù)革新，在提高電能利用效率和實現(xiàn)清潔能源目標(biāo)方面起到重要推動作用。

圖5、SiC器件在節(jié)能減排領(lǐng)域應(yīng)用

（1）、SiC在光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

目前常見的組串式逆變器一般采用兩極結(jié)構(gòu)，在逆變電路之前為DC-DC升壓電路，通常是Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以增加對光伏電池輸出電壓范圍的適應(yīng)性。直流電路的輸入電壓一般為450 V~1000 V，Si MOSFET的耐壓不超過1000 V，因此光伏逆變器普遍采用IGBT器件，受到IGBT拖尾電流的影響，且器件的開關(guān)損耗較大，開關(guān)頻率難以提升，最高開關(guān)頻率在30 kHz左右。而SiC MOSFET器件的耐壓可以達(dá)到1200 V~1700 V，可以完全滿足光伏逆變器耐壓高的需求，其工作頻率在100 kHz以上，甚至可以達(dá)到數(shù)MHz。

圖6、戶用光伏并網(wǎng)逆變器的典型結(jié)構(gòu)

因此德國英飛凌、日本富士電機(jī)、田淵電機(jī)等企業(yè)紛紛在光伏逆變器中采用SiC器件。國內(nèi)的英威騰等逆變器廠家正在開發(fā)的第三代光伏逆變器，其亮點也是采用SiC器件代替IGBT器件。富士電機(jī)開發(fā)了基于SiC MOSFET和SiC二極管的Boost升壓電路，產(chǎn)品于2014年8月發(fā)布；三菱電機(jī)也于2015年1月推出了全球首款全SiC光伏逆變器產(chǎn)品。

圖7、SiC器件在光伏逆變器中的應(yīng)用

圖8、光伏逆變器 來源：陽光電源官網(wǎng)

（2）、SiC在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，續(xù)航里程焦慮和充電焦慮依舊是制約電動汽車發(fā)展的重要因素。SiC逆變器由于具有耐高溫和寬禁帶的特性，可實現(xiàn)更快的開關(guān)頻率，顯著減小電力電子系統(tǒng)的體積等優(yōu)點，可滿足電動汽車市場對更小、更輕、更高效的高功率密度驅(qū)動系統(tǒng)的需求。

因此特斯拉model 3使用的電源模塊是意法半導(dǎo)體開發(fā)的650 V SiC MOSFET；英飛凌推出了首款汽車級SiC二極管，可應(yīng)用于EV和HEV的車載充電器；德爾?？萍夹剂慨a(chǎn)800 VSiC逆變器；青銅劍科技聯(lián)合基本半導(dǎo)體發(fā)布了基于規(guī)級SiC功率模塊 BMB200120P1的新能源汽車電機(jī)控制器解決方案。

圖9、采用SiC MOSFET器件的特斯拉model 3 來源：新出行

（3）、SiC在列車牽引系統(tǒng)的應(yīng)用

由于SiC器件損耗小，耐受高頻、高溫及大電流的工況，可以通過SiC核心器件的應(yīng)用帶動整個牽引系統(tǒng)的優(yōu)化。不僅主變流器可實現(xiàn)小型、輕量化，而且牽引電機(jī)及牽引變壓器也可以實現(xiàn)大幅度小型、輕量化。如：日本東海鐵路客運公司在2015年開發(fā)了基于SiC MOSFET的牽引系統(tǒng)，在牽引電動機(jī)的開發(fā)上充分利用SiC器件大電流化的特性，減輕鐵芯重量。三菱電機(jī)設(shè)計的基于 1500 V 直流電網(wǎng)的“全SiC VVVF 逆變器裝置 ”在商業(yè)運營中的小田急電鐵車輛上驗證了節(jié)能效果。

圖10、蘇州3號線碳化硅模塊 來源：第三代半導(dǎo)體風(fēng)向

（4）、SiC 在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

海上風(fēng)電超長距離輸電一般采用以電壓源換流器為基礎(chǔ)的柔性直流輸電技術(shù)（VSc-HVDC）。由于換流站工作時需要承受高達(dá)幾百千伏的電壓以及高達(dá)幾千安培的電流，傳統(tǒng)的IGBT器件存在著器件串聯(lián)、動態(tài)均壓困難以及導(dǎo)通損耗大等問題，因此對于更大容量、更高功率密度的新型SiC IGBT、SiC GTO等器件的應(yīng)用有著迫切需求。

圖11、風(fēng)力發(fā)電 來源：pixabay

總結(jié)：

經(jīng)過近20年的研究和開發(fā)，SiC技術(shù)產(chǎn)品已經(jīng)具有較高的成熟度和可靠性，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件，在光伏發(fā)電、電動汽車、列車牽引和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但目前，SiC器件的推廣應(yīng)用仍面臨SiC單晶生長、外延工藝未完全成熟以及高溫封裝技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)尚待突破等難題。因此，今后5年將是我國在電力電子半導(dǎo)體領(lǐng)域攻克SiC器件技術(shù)難點實現(xiàn)彎道超車的機(jī)遇期。

參考來源：

1、碳化硅器件在節(jié)能減排領(lǐng)域的應(yīng)用展望 許泓等

2、國內(nèi)外碳化硅功率器件發(fā)展綜述 陳堯等

作者：晴天

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