碳化硅电力电子发展现状与趋势

目前电网技术正向智能化发展，碳化硅电力电子器件技术的进步及产业化，将在高压电力系统开辟全新应用，对电力系统变革产生深远影响。碳化硅电力电子器件优异的高效、高压、高温和高频特性，使其在家用电器、电机节能、电动汽车、智能电网、航天航空、石油勘探、自动化、雷达与通信等领域有很大应用潜力。

一、关于碳化硅电力电子器件

1.定义电力电子器件(PowerElectronicDevice)又称为功率半导体器件，主要指用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。碳化硅(SiC)电力电子器件是指采用第三代半导体材料SiC制造的一种宽禁带电力电子器件，具有耐高温、高频、高效的特性。按照器件工作形式，SiC电力电子器件主要包括功率二极管和功率开关管。功率二极管包括结势垒肖特基(JBS)二极管、PiN二极管和超结二极管;功率开关管主要包括金属氧化物半导体场效应开关管(MOSFET)、结型场效应开关管(JFET)、双极型开关管(BJT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)和发射极可关断晶闸管(ETO)等。

2.技术优势与硅基电力电子器件必须采用硅单晶制造一样，SiC电力电子器件是采用微电子工艺方法在SiC晶圆材料上加工出来的，目前常用的是4H-SiC型单晶衬底材料，以及在衬底上生长出来的外延材料。是硅的三倍，临界击穿电场比硅材料高一个数量级，相同结构下，其阻断能力比硅器件高好多倍，相同的击穿电压下，SiC器件的漂移区可以更薄，可保证其拥有更小的导通电阻。一般硅器件最高到200℃就会因热击穿造成失效，而SiC具有的宽禁带特性，保证了SiC器件可以在500℃以上高温环境工作，且具有极好抗辐射性能。SiC电力电子器件的开关频率高于同结构硅器件，可大幅降低开关损耗，大大提高系统效率;在应用于功率集成系统时，SiC器件无反向恢复、散热性好的突出特点，可使相关电路得到优化，从而在整体上缩减系统尺寸，减轻系统重量，节约系统成本。

SiC电力电子器件重要系统优势在于其高压(达数万伏)、高温(大于500℃)特性，突破了硅器件电压(数kV)和温度(小于200℃)限制所导致的严重系统局限性。3.应用SiC电力电子器件率先在低压领域实现产业化，目前商业产品电压等级在600～1700V，已开始替代传统硅器件。高压SiC电力电子器件目前已研发出27kVPiN二极管、10~15kV/≥10AMOSFET、20kVGTO、22kVETO和27kV的N型IGBT等。当前SiC电力电子器件的成熟度和可靠性不断提高，正在逐步成为保障电子装备现代化的必要技术。

二、国际发展现状与趋势

1.科技政策与战略规划20世纪80年代以来，美、日、欧等发达国家为保持航天、军事和技术强国地位，始终将宽禁带半导体技术放在极其重要的战略地位，投入巨资实施了多项旨在提升装备系统能力和减小模块组件体积的技术开发计划，取得了良好效果。

(1)美国。早在1997年制定的“国防与科学计划”中，美国就明确了宽禁带半导体的发展目标。2014年，奥巴马总统亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟，全力支持宽禁带半导体技术，以引领下一代电力电子制造业的技术创新。该联盟目前已获得联邦和地方政府总计1.4亿美元支持，计划在未来5年里，使宽禁带半导体技术在成本上具有与当前硅基电力电子技术竞争的能力，成为下一代节能、高效大功率电力电子芯片和器件，引领包括消费类电子、工业设备、通讯、清洁能源等在内的，多个全球最大规模、最快增长速度的产业市场，全面提升国际竞争力并创造高薪就业机会。2016年，美国陆军资助通用电气公司(GE)2.1亿美元，用一年时间，采用新型SiCMOSFET器件与GaN器件，实现15kW、28V/600V的DC-DC双向整流装置，预期使现有硅基电力电子装备尺寸减小50%、功率能力提升2倍，以提升陆军坦克在高温下的作战能力。

(2)日本。从1998年开始，日本政府持续资助宽禁带半导体技术研究。2013年，日本将SiC材料体系纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过SiC器件来实现，以便创造清洁能源的新时代。近几年，日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)制定了一系列关于SiC材料与器件的国家计划，如“国家硬电子计划”，主要发展高能、高速、高功率开关器件，用于空间、原子能、存储及信息通讯。2015年NEDO启动了SiC电力电子器件相关的研究计划，重点针对SiC功率模块在铁路机车电路系统、多样性电力交换系统、发电电动一体涡轮增压机废热回收系统、尖端医疗设备和加速器小型化等领域的应用进行研究，以实现节能、增效的目标。

(3)欧盟。2014年，欧盟启动为期3年(2014—2017年)的，应用于高效电力系统的SiC电力技术研究计划(SPEED)，总投入达1858万欧元，7个国家的12家研究机构和企业参与了该计划。该计划目标是通过汇集世界领先的制造商和研究人员来联合攻克SiC电力电子器件技术，突破SiC电力电子器件全产业链的技术瓶颈，实现在可再生能源领域的广泛应用。2015年，德国联邦研究部资助卡尔斯鲁厄理工学院和工业界合作伙伴(资助金额80万欧元)，开展基于SiC开关器件提升高频电源能效的研究，以提升工业生产中电源的能效，降低能源消耗和减少CO2排放。

2.技术进展随着SiC外延材料技术不断进步，主要发达国家竞相发展SiC电力电子器件技术。近年来，多家国际大公司快速向6英寸SiC电力电子器件制造工艺转移，SiC器件产品也在向高压端和大容量端扩展。目前JBS二极管、PiN二极管、MOSFET、IGBT、GTO开关管等SiC器件已实现10kV以上电压等级的样品，其中单管器件最高电压达到27kV以上。SiC电力电子器件的产业化主要以德国英飞凌、美国Cree公司、GE和日本罗姆公司、丰田公司等为代表。SiC电力电子器件首先由英飞凌于2000年前后在JBS二极管上取得突破，打开市场化的僵局，目前SiCJBS二极管已广泛应用于高端电源市场。Cree、英飞凌、罗姆等公司逐步推出SiCMOSFET、JFET等产品，丰田公司则把SiCMOSFET器件应用到电动汽车中。2015年，CREE公司推出全球首款全碳化硅功率模块产品CAS300M17BM2，该产品有能力完全取代现有额定电流为400A或更高的硅基IGBT模块，非常适用于高功率电机驱动开关和并网逆变器等应用。