目前，国内外大多数电力电子功率器件都采用硅基半导体材料，经过几十年的不断改良和优化，其性能已接近硅材料的理论极限。以SiC为代表的第三代半导体材料功率器件在各项性能指标上较现有硅基功率器件有飞跃性的提升，正在引领电力电子领域的一次技术革命。

SiC功率器件凭借其卓越性能而被不断应用于光伏发电、电动汽车、列车牵引和风力发电等领域。

图1、绿色能源 来源：pixabay

一、碳化硅技术产品特性

作为宽禁带材料，与Si相比，SiC（4H-SiC）具有3倍的禁带宽度，10倍以上的临界电场强度，2倍以上的电子饱和漂移速度，高熔点（2830℃），3倍的导热率等特性。相应开发的 SiC 电力电子器件和模块具有以下优异的特性：

图2、不同材料开关器件物理参数对比

图3、SiC电力电子器件的优势

因此，SiC器件能够满足航空航天、电力传输、机车牵引、高效光伏发电及风电系统、新能源汽车、现代国防武器装备等重大战略领域对高性能、大功率电力电子器件的迫切需求，被誉为是带动“新能源革命”的“绿色能源”发展的器件。

二、SiC 功率器件技术发展现状

SiC功率器件主要包括：SiC二极管，SiC开关管和SiC功率模块。SiC二极管又分为SBD二极管和PiN二极管。SiC开关管分为SiC MOSFET、SiC JFET和SiC IGBT等；SiC功率模块分为全SiC功率模块和混合SiC功率模块。

图4、SiC功率器件分类

（1）SiC SBD

肖特基势垒二极管（简称 SBD），其特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在国内，泰科天润于2014年生产了涵盖600~3000 V中高压范围的SiC SBD，其中600 V/10A、1200 V /20 A等4H-SiC SBD成品率达到国际领先水平。

（2）SiC MOSFET

SiC MOSFET 具有正向导通电阻低、开关速度快、驱动电路简单等优点，用于开关目的和电子设备中电子信号的放大。其中，比亚迪微电子团队于2017年自主研发出了适合于新能源汽车使用的两款SiC功率MOSFET器件；2019年，深圳基本半导体有限公司率先推出国内首款通过工业级可靠性测试的1200 V SiCMOSFET，进入小批量生产。

（3）SiC 功率模块

功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成一个模块。作用：具有GTR （大功率晶体管）高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及MOSFET （场效应晶体管）高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。2017年，比亚迪微电子团队研制开发了1200 V/200 A和1200 V/400 A 全SiC功率模块。2019年，世纪金光半导体有限公司成功开发出规格为1200 V /600 A的大功率SiC模块产品。同年，深圳基本半导体有限司对1200 V /200 A车规级全SiC功率模块。

三、碳化硅器件在节能减排领域的应用

作为下一代电力电子器件发展的主要方向，SiC器件将为节能减排领域带来重要的技术革新，在提高电能利用效率和实现清洁能源目标方面起到重要推动作用。

图5、SiC器件在节能减排领域应用

（1）、SiC在光伏发电领域的应用

目前常见的组串式逆变器一般采用两极结构，在逆变电路之前为DC-DC升压电路，通常是Boost拓扑结构，以增加对光伏电池输出电压范围的适应性。直流电路的输入电压一般为450 V~1000 V，Si MOSFET的耐压不超过1000 V，因此光伏逆变器普遍采用IGBT器件，受到IGBT拖尾电流的影响，且器件的开关损耗较大，开关频率难以提升，最高开关频率在30 kHz左右。而SiC MOSFET器件的耐压可以达到1200 V~1700 V，可以完全满足光伏逆变器耐压高的需求，其工作频率在100 kHz以上，甚至可以达到数MHz。

图6、户用光伏并网逆变器的典型结构

因此德国英飞凌、日本富士电机、田渊电机等企业纷纷在光伏逆变器中采用SiC器件。国内的英威腾等逆变器厂家正在开发的第三代光伏逆变器，其亮点也是采用SiC器件代替IGBT器件。富士电机开发了基于SiC MOSFET和SiC二极管的Boost升压电路，产品于2014年8月发布；三菱电机也于2015年1月推出了全球首款全SiC光伏逆变器产品。

图7、SiC器件在光伏逆变器中的应用

图8、光伏逆变器 来源：阳光电源官网

（2）、SiC在电动汽车领域的应用

目前，续航里程焦虑和充电焦虑依旧是制约电动汽车发展的重要因素。SiC逆变器由于具有耐高温和宽禁带的特性，可实现更快的开关频率，显著减小电力电子系统的体积等优点，可满足电动汽车市场对更小、更轻、更高效的高功率密度驱动系统的需求。

因此特斯拉model 3使用的电源模块是意法半导体开发的650 V SiC MOSFET；英飞凌推出了首款汽车级SiC二极管，可应用于EV和HEV的车载充电器；德尔福科技宣布量产800 VSiC逆变器；青铜剑科技联合基本半导体发布了基于规级SiC功率模块 BMB200120P1的新能源汽车电机控制器解决方案。

图9、采用SiC MOSFET器件的特斯拉model 3 来源：新出行

（3）、SiC在列车牵引系统的应用

由于SiC器件损耗小，耐受高频、高温及大电流的工况，可以通过SiC核心器件的应用带动整个牵引系统的优化。不仅主变流器可实现小型、轻量化，而且牵引电机及牵引变压器也可以实现大幅度小型、轻量化。如：日本东海铁路客运公司在2015年开发了基于SiC MOSFET的牵引系统，在牵引电动机的开发上充分利用SiC器件大电流化的特性，减轻铁芯重量。三菱电机设计的基于 1500 V 直流电网的“全SiC VVVF 逆变器装置 ”在商业运营中的小田急电铁车辆上验证了节能效果。

图10、苏州3号线碳化硅模块 来源：第三代半导体风向

（4）、SiC 在风力发电领域的应用

海上风电超长距离输电一般采用以电压源换流器为基础的柔性直流输电技术（VSc-HVDC）。由于换流站工作时需要承受高达几百千伏的电压以及高达几千安培的电流，传统的IGBT器件存在着器件串联、动态均压困难以及导通损耗大等问题，因此对于更大容量、更高功率密度的新型SiC IGBT、SiC GTO等器件的应用有着迫切需求。

图11、风力发电 来源：pixabay

总结：

经过近20年的研究和开发，SiC技术产品已经具有较高的成熟度和可靠性，具备大规模商业化应用的条件，在光伏发电、电动汽车、列车牵引和风力发电等领域具有广泛的应用前景。但目前，SiC器件的推广应用仍面临SiC单晶生长、外延工艺未完全成熟以及高温封装技术和系统集成技术尚待突破等难题。因此，今后5年将是我国在电力电子半导体领域攻克SiC器件技术难点实现弯道超车的机遇期。

参考来源：

1、碳化硅器件在节能减排领域的应用展望 许泓等

2、国内外碳化硅功率器件发展综述 陈尧等

作者：晴天

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