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鄒小姐：13326633089 -
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目前，國內外大多數電力電子功率器件都采用硅基半導體材料，經過幾十年的不斷改良和優化，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體材料功率器件在各項性能指標上較現有硅基功率器件有飛躍性的提升，正在引領電力電子領域的一次技術革命。
SiC功率器件憑借其卓越性能而被不斷應用于光伏發電、電動汽車、列車牽引和風力發電等領域。
圖1、綠色能源 來源：pixabay
一、碳化硅技術產品特性
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度，2倍以上的電子飽和漂移速度，高熔點（2830℃），3倍的導熱率等特性。相應開發的 SiC 電力電子器件和模塊具有以下優異的特性：
圖2、不同材料開關器件物理參數對比
圖3、SiC電力電子器件的優勢
因此，SiC器件能夠滿足航空航天、電力傳輸、機車牽引、高效光伏發電及風電系統、新能源汽車、現代國防武器裝備等重大戰略領域對高性能、大功率電力電子器件的迫切需求，被譽為是帶動“新能源革命”的“綠色能源”發展的器件。
二、SiC 功率器件技術發展現狀
SiC功率器件主要包括：SiC二極管，SiC開關管和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），其特點為反向恢復時間極短（可以小到幾納秒），正向導通壓降僅0.4V左右。多用作高頻、低壓、大電流整流二極管、續流二極管、保護二極管，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，泰科天潤于2014年生產了涵蓋600~3000 V中高壓范圍的SiC SBD，其中600 V/10A、1200 V /20 A等4H-SiC SBD成品率達到國際領先水平。
（2）SiC MOSFET
SiC MOSFET 具有正向導通電阻低、開關速度快、驅動電路簡單等優點，用于開關目的和電子設備中電子信號的放大。其中，比亞迪微電子團隊于2017年自主研發出了適合于新能源汽車使用的兩款SiC功率MOSFET器件；2019年，深圳基本半導體有限公司率先推出國內首款通過工業級可靠性測試的1200 V SiCMOSFET，進入小批量生產。
（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點，以及MOSFET （場效應晶體管）高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優點。2017年，比亞迪微電子團隊研制開發了1200 V/200 A和1200 V/400 A 全SiC功率模塊。2019年，世紀金光半導體有限公司成功開發出規格為1200 V /600 A的大功率SiC模塊產品。同年，深圳基本半導體有限司對1200 V /200 A車規級全SiC功率模塊。
三、碳化硅器件在節能減排領域的應用
作為下一代電力電子器件發展的主要方向，SiC器件將為節能減排領域帶來重要的技術革新，在提高電能利用效率和實現清潔能源目標方面起到重要推動作用。
圖5、SiC器件在節能減排領域應用
（1）、SiC在光伏發電領域的應用
目前常見的組串式逆變器一般采用兩極結構，在逆變電路之前為DC-DC升壓電路，通常是Boost拓撲結構，以增加對光伏電池輸出電壓范圍的適應性。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，且器件的開關損耗較大，開關頻率難以提升，最高開關頻率在30 kHz左右。而SiC MOSFET器件的耐壓可以達到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，甚至可以達到數MHz。
圖6、戶用光伏并網逆變器的典型結構
因此德國英飛凌、日本富士電機、田淵電機等企業紛紛在光伏逆變器中采用SiC器件。國內的英威騰等逆變器廠家正在開發的第三代光伏逆變器，其亮點也是采用SiC器件代替IGBT器件。富士電機開發了基于SiC MOSFET和SiC二極管的Boost升壓電路，產品于2014年8月發布；三菱電機也于2015年1月推出了全球首款全SiC光伏逆變器產品。
圖7、SiC器件在光伏逆變器中的應用
圖8、光伏逆變器 來源：陽光電源官網
（2）、SiC在電動汽車領域的應用
目前，續航里程焦慮和充電焦慮依舊是制約電動汽車發展的重要因素。SiC逆變器由于具有耐高溫和寬禁帶的特性，可實現更快的開關頻率，顯著減小電力電子系統的體積等優點，可滿足電動汽車市場對更小、更輕、更高效的高功率密度驅動系統的需求。
因此特斯拉model 3使用的電源模塊是意法半導體開發的650 V SiC MOSFET；英飛凌推出了首款汽車級SiC二極管，可應用于EV和HEV的車載充電器；德爾福科技宣布量產800 VSiC逆變器；青銅劍科技聯合基本半導體發布了基于規級SiC功率模塊 BMB200120P1的新能源汽車電機控制器解決方案。
圖9、采用SiC MOSFET器件的特斯拉model 3 來源：新出行
（3）、SiC在列車牽引系統的應用
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核心器件的應用帶動整個牽引系統的優化。不僅主變流器可實現小型、輕量化，而且牽引電機及牽引變壓器也可以實現大幅度小型、輕量化。如：日本東海鐵路客運公司在2015年開發了基于SiC MOSFET的牽引系統，在牽引電動機的開發上充分利用SiC器件大電流化的特性，減輕鐵芯重量。三菱電機設計的基于 1500 V 直流電網的“全SiC VVVF 逆變器裝置 ”在商業運營中的小田急電鐵車輛上驗證了節能效果。
圖10、蘇州3號線碳化硅模塊 來源：第三代半導體風向
（4）、SiC 在風力發電領域的應用
海上風電超長距離輸電一般采用以電壓源換流器為基礎的柔性直流輸電技術（VSc-HVDC）。由于換流站工作時需要承受高達幾百千伏的電壓以及高達幾千安培的電流，傳統的IGBT器件存在著器件串聯、動態均壓困難以及導通損耗大等問題，因此對于更大容量、更高功率密度的新型SiC IGBT、SiC GTO等器件的應用有著迫切需求。
圖11、風力發電 來源：pixabay
總結：
經過近20年的研究和開發，SiC技術產品已經具有較高的成熟度和可靠性，具備大規模商業化應用的條件，在光伏發電、電動汽車、列車牽引和風力發電等領域具有廣泛的應用前景。但目前，SiC器件的推廣應用仍面臨SiC單晶生長、外延工藝未完全成熟以及高溫封裝技術和系統集成技術尚待突破等難題。因此，今后5年將是我國在電力電子半導體領域攻克SiC器件技術難點實現彎道超車的機遇期。
參考來源：
1、碳化硅器件在節能減排領域的應用展望 許泓等
2、國內外碳化硅功率器件發展綜述 陳堯等
作者：晴天
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