電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)、核電、太陽能、風(fēng)能等能源領(lǐng)域以及航海、航空、航天、高速軌道交通等技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)功率器件的性能提出了更高的要求。目前，基于硅材料的功率器件已經(jīng)隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的日趨完善而接近由材料本身特性所決定的理論極限，第三代半導(dǎo)體材料能夠替代第一代半導(dǎo)體材料硅，滿足未來更高需求，將在工業(yè)界獲得更廣泛的應(yīng)用。

第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速率及更高抗輻射能力，適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，代表材料有碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁。目前，最成熟和應(yīng)用潛力最大的第三代半導(dǎo)體材料為碳化硅，其各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達(dá) 600℃，遠(yuǎn)高于硅器件工作溫度。

一、碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

碳化硅作為未來電動(dòng)汽車充電模塊和電動(dòng)模塊相關(guān)重要核心的先進(jìn)電子材料，能實(shí)現(xiàn)綠色出行的能源供應(yīng)、低碳、智能、可持續(xù)發(fā)展，最終搶占未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)。碳化硅器件對(duì)充電模塊性能提升主要體現(xiàn)在三方面：（1）提高頻率，簡化供電網(wǎng)絡(luò)；（2）降低損耗，減少溫升。（3）縮小體積，提升效率。

碳化硅器件能提高純電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車功率轉(zhuǎn)化性能。電動(dòng)汽車的電動(dòng)模塊中電動(dòng)機(jī)是有源負(fù)載，其轉(zhuǎn)速范圍很寬，且在行駛過程中需要頻繁地加速和減速，工作條件比一般的調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜，采用碳化硅功率器件可有效提高其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，獲得更高的擊穿電壓、更低的開啟電阻、更大的熱導(dǎo)率以及能在更高溫度下穩(wěn)定工作，原來幾公斤的散熱片可大幅減少甚至直接刪去，將引起電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)方面革命性的變化，能降低電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車功率轉(zhuǎn)化能耗損失 20%，對(duì)大幅提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程具有重要意義。

圖一 碳化硅應(yīng)用于電動(dòng)汽車

二、碳化硅在新型輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用

碳化硅基功率開關(guān)由于具有極低的開啟態(tài)電阻，并且能應(yīng)用于高壓、高溫、高頻場(chǎng)合，是硅基器件的理想替代者，如果使用碳化硅功率模塊，與使用硅功率電源裝置相比，由開關(guān)損失引起的功率損耗可降低5倍以上，對(duì)未來電網(wǎng)形態(tài)和能源戰(zhàn)略調(diào)整將產(chǎn)生重大影響，其體積與重量減小40%以上。碳化硅器件規(guī)模應(yīng)用于固態(tài)斷路器、換流閥、有源濾波等已有裝備為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)、加速我國能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型提供核心元器件及關(guān)鍵裝備等支撐。

圖二 碳化硅基功率開關(guān)

三、碳化硅材料在太陽能等領(lǐng)域的應(yīng)用

碳化硅功率器件針對(duì)太陽能逆變器、不間斷電源設(shè)備以及風(fēng)能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等大功率模組件的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，以更小尺寸、更低物料成本以及更高的效率。新標(biāo)準(zhǔn)太陽能硅基逆變器典型的轉(zhuǎn)換效率接近96%，而采用碳化硅基逆變器的平均效率能提高到97.5%，相當(dāng)于減少25%的逆變器損耗，碳化硅基逆變器在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域可提高轉(zhuǎn)換效率 20%。

圖三 碳化硅基逆變器

四、碳化硅材料在LED照明領(lǐng)域的應(yīng)用

LED 光電器件的核心材料碳化硅和氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)及應(yīng)用正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。碳化硅 LED 照明設(shè)備能將原 LED 燈使用數(shù)量下降 1/3，成本下降40～50%，而亮度卻提高兩倍，導(dǎo)熱能力提高10倍以上。LED 照明是未來光照領(lǐng)域的發(fā)展方向，日常生活中人們可見到的各類信號(hào)燈、車內(nèi)照明、信息屏、彩色顯示設(shè)備，白光照明現(xiàn)在都利用碳化硅 LED 半導(dǎo)體照明，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的電光轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到大幅降低成本和減少污染的目的。

圖四 碳化硅LED燈

五、碳化硅材料在新型反應(yīng)堆燃料棒上的應(yīng)用

核電廠產(chǎn)生的能量來自于燃料元件，核裂變產(chǎn)生的放射性裂變產(chǎn)物主要滯留在燃料元件內(nèi)部，因此，燃料元件是反應(yīng)堆的核心部件，直接影響核反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性和安全性。碳化硅作為重要包殼和基體材料的各種結(jié)構(gòu)新穎、功能完備的燃料元件模型不斷被設(shè)計(jì)出來，目前高溫氣冷堆碳化硅包殼燃料元件已經(jīng)開始走向商業(yè)化，其它含碳化硅材料燃料元件的研發(fā)也將加快步伐，除了燃料元件外，碳化硅材料在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料，堆內(nèi)管道內(nèi)襯等方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。可以預(yù)見，隨著核安全性要求的不斷提高，碳化硅材料在核能領(lǐng)域?qū)@得更加廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮更加重要的作用。

鑒于碳化硅材料各方面的優(yōu)良特性，其有望成為最重要的第三代半導(dǎo)體材料，未來會(huì)全面取代目前廣泛應(yīng)用的硅半導(dǎo)體材料，其應(yīng)用領(lǐng)域更廣，潛在市場(chǎng)更大，關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展和戰(zhàn)略安全。隨著我國新能源汽車的推廣和電網(wǎng)的升級(jí)改造，碳化硅材料將在電動(dòng)汽車充電樁、提高電動(dòng)汽車能源效率、智能電網(wǎng)建設(shè)、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域等諸多方面得到大規(guī)模應(yīng)用。

作者：谷雨