碳化硅（SiC）功率器件或在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域一決勝負

電力電子器件的發(fā)展歷史大致可以分為三個(gè)大階段：硅晶閘管（可控硅）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和剛顯露頭角的碳化硅（SiC）系列大功率半導體器件。

碳化硅屬于第三代半導體材料，與普通的硅材料相比，碳化硅的優(yōu)勢非常突出，它不僅克服了普通硅材料的某些缺點(diǎn)，在功耗上也有非常好的表現，因而成為電力電子領(lǐng)域目前最具前景的半導體材料。正因為如此，已經(jīng)有越來(lái)越多的半導體企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入SiC市場(chǎng)。

到2023年，SiC功率半導體市場(chǎng)預計將達到15億美元。SiC器件的供應商包括Fuji、英飛凌、Littelfuse、三菱、安森半導體、意法半導體、Rohm、東芝和Wolfspeed（Wolfspeed是Cree的一部分），X-Fab是SiC的唯一代工廠(chǎng)商。

碳化硅功率器件的電氣性能優(yōu)勢：

1. 耐壓高：臨界擊穿電場(chǎng)高達2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10倍于Si)。

2. 散熱容易：由于SiC材料的熱導率較高(是Si的三倍)，散熱更容易，器件可工作在更高的環(huán)境溫度下。理論上，SiC功率器件可在175℃結溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著(zhù)減小。

3. 導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗低：SiC材料具有兩倍于Si的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導通電阻(1/100 于Si)，導通損耗低；SiC 材料具有3倍于Si 的禁帶寬度，泄漏電流比Si 器件減少了幾個(gè)數量級，從而可以減少功率器件的功率損耗；關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現象，開(kāi)關(guān)損耗低，可大大提高實(shí)際應用的開(kāi)關(guān)頻率(10 倍于Si)。

4. 可以減小功率模塊的體積：由于器件電流密度高(如Infineon 產(chǎn)品可達700A/cm2)，在相同功率等級下，全SiC 功率模塊(SiC MOSFETsSiC SBD)的封裝尺寸顯著(zhù)小于Si IGBT 功率模塊。

碳化硅功率器件發(fā)展中存在的問(wèn)題：

1. 在商業(yè)化市場(chǎng)方面：由于Cree公司技術(shù)性壟斷，一片高質(zhì)量的4英寸SiC單晶片的售價(jià)約5000美元，然而相應的4英寸Si片售價(jià)僅為7美元。如此昂貴的SiC單晶片已經(jīng)嚴重阻礙了SiC器件的發(fā)展。

2. 在技術(shù)方面：SiC單晶材料位錯缺陷等其他缺陷對SiC器件特性造成的影響仍未解決；SiC器件可靠性問(wèn)題；高溫大功率SiC器件封裝問(wèn)題。

隨著(zhù)碳化硅電力電子器件技術(shù)的研究的不斷深入，這些問(wèn)題將逐漸得到解決，更多更好的商用碳化硅電力電子器件將推向市場(chǎng)，必將大大拓展碳化硅電力電子器件的應用領(lǐng)域。

同時(shí)，縱觀(guān)電力電子的發(fā)展歷程，新器件的誕生會(huì )帶來(lái)整個(gè)電力電子行業(yè)的重大革命，在不久的將來(lái)，碳化硅功率器件將成為各種變換器應用領(lǐng)域中減小功率損耗、提高效率和功率密度的關(guān)鍵器件。

碳化硅功率器件最大的增長(cháng)機會(huì )在汽車(chē)領(lǐng)域

SiC是一種基于硅和碳的復合半導體材料。在生產(chǎn)流程中，專(zhuān)門(mén)的SiC襯底被開(kāi)發(fā)出來(lái)，然后在晶圓廠(chǎng)中進(jìn)行加工，得到基于SiC的功率半導體。許多基于SiC的功率半導體和競爭技術(shù)都是專(zhuān)用晶體管，它們可以在高電壓下開(kāi)關(guān)器件的電流。它們用于電力電子領(lǐng)域，可以實(shí)現系統中電力的轉換和控制。

與傳統硅基器件相比，SiC的擊穿場(chǎng)強是傳統硅基器件的10倍，導熱系數是傳統硅基器件的3倍，非常適合于高壓應用，如電源、太陽(yáng)能逆變器、火車(chē)和風(fēng)力渦輪機。

目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之間、工作頻率在10KHz-100MHz之間的場(chǎng)景，特別是一些對于能量效率和空間尺寸要求較高的應用，如電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機與電驅系統、充電樁、光伏微型逆變器、高鐵、智能電網(wǎng)、工業(yè)級電源等領(lǐng)域，可取代部分硅基MOSFET與IGBT。

另外，SiC還用于制造LED。碳化硅材料各項指標均優(yōu)于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高于硅器件工作溫度。技術(shù)成熟度最高，應用潛力最大。最大的增長(cháng)機會(huì )在汽車(chē)領(lǐng)域，尤其是電動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)有三大趨勢，一是行駛里程延長(cháng)，二是縮短充電時(shí)間，三是需要更高的電池容量。

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)以及其他系統的增長(cháng)，碳化硅（SiC）功率半導體市場(chǎng)正在經(jīng)歷需求的突然激增，這便是SiC的用武之地。SiC正在進(jìn)軍車(chē)載充電器、DC-DC轉換器和牽引逆變器。

當前電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電機市場(chǎng)已逐步采用碳化硅SDB，產(chǎn)品集中在1200V/10A、20A，每臺車(chē)載充電機需要4-8顆碳化硅SBD，全球已有超20余家汽車(chē)廠(chǎng)商開(kāi)始采用。在著(zhù)名的電動(dòng)方程式（Formula-E）賽車(chē)中也用到了SiC技術(shù)，羅姆從2016年的第三賽季開(kāi)始贊助Venturi車(chē)隊。在第三賽季使用了IGBT＋SiC SBD后，與傳統逆變器相比，重量降低2kg，尺寸減小19％，而2017年的第四賽季采用Si MOS＋SiC SBD后，其重量降低6kg，尺寸減小43％。目前，特斯拉Model 3的電驅系統已采用了ST所提供的的碳化硅器件，豐田也將于2020年正式推出搭載碳化硅器件的電動(dòng)汽車(chē)。

SiC器件在電動(dòng)汽車(chē)控制部件應用中存在的問(wèn)題

盡管碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統的使用中具有顯著(zhù)的優(yōu)勢和廣泛的應用前景，但仍有以下問(wèn)題需要解決：

1. 電磁兼容性問(wèn)題：電動(dòng)汽車(chē)電力電子裝置是電動(dòng)汽車(chē)的最主要的電磁干擾源也是重要的傳播途徑，顯然，高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )加劇電動(dòng)汽車(chē)的電磁干擾。電動(dòng)汽車(chē)內有大量噪聲敏感的電子設備，不良的電磁兼容設計往往對其他車(chē)載電子設備的造成干擾甚至是誤操作，給汽車(chē)留下較大的安全隱患。對SiC器件引起的電磁干擾的產(chǎn)生機理和抑制方法上進(jìn)行深入研究，才能有效提高電動(dòng)汽車(chē)的電磁兼容性能。

2. 高頻磁性元件設計問(wèn)題：碳化硅器件的使用可以提高變換器的開(kāi)關(guān)頻率、縮小磁性元件體積，但高頻化下的磁性元件有許多基本問(wèn)題要研究。

3. 先進(jìn)封裝技術(shù)：電動(dòng)汽車(chē)環(huán)境溫度較高，功率模塊及其輔助電路需滿(mǎn)足高可靠性、耐熱性以及電氣堅固性等需求。因此需要先進(jìn)封裝技術(shù)改善散熱條件、降低寄生參數、提高功率模塊的電氣堅固性和可靠性。電力電子研究人員一直在努力尋找新型大電流高功率密度封裝結構和互連方法，以替代目前的平面封裝結構和引線(xiàn)鍵合工藝，徹底消除它們帶來(lái)的各種問(wèn)題。