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

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(dǎo)體器件。

碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，與普通的硅材料相比，碳化硅的優(yōu)勢(shì)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(xiàn)，因而成為電力電子領(lǐng)域目前最具前景的半導(dǎo)體材料。正因?yàn)槿绱?，已?jīng)有越來(lái)越多的半導(dǎo)體企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入SiC市場(chǎng)。

到2023年，SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到15億美元。SiC器件的供應(yīng)商包括Fuji、英飛凌、Littelfuse、三菱、安森半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體、Rohm、東芝和Wolfspeed（Wolfspeed是Cree的一部分），X-Fab是SiC的唯一代工廠商。

碳化硅功率器件的電氣性能優(yōu)勢(shì)：

1. 耐壓高：臨界擊穿電場(chǎng)高達(dá)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(dǎo)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(jié)溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。

3. 導(dǎo)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(dǎo)通電阻(1/100 于Si)，導(dǎo)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(shù)量級(jí)，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(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低，可大大提高實(shí)際應(yīng)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(dá)700A/cm2)，在相同功率等級(jí)下，全SiC功率模塊(SiC MOSFETsSiC SBD)的封裝尺寸顯著小于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(yīng)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(yán)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(cuò)缺陷等其他缺陷對(duì)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(yīng)用領(lǐng)域。

同時(shí)，縱觀電力電子的發(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(yīng)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(zhǎng)機(jī)會(huì)在汽車(chē)領(lǐng)域

SiC是一種基于硅和碳的復(fù)合半導(dǎo)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)，然后在晶圓廠中進(jìn)行加工，得到基于SiC的功率半導(dǎo)體。許多基于SiC的功率半導(dǎo)體和競(jìng)爭(zhēng)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(xiàn)系統(tǒng)中電力的轉(zhuǎn)換和控制。

與傳統(tǒng)硅基器件相比，SiC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是傳統(tǒng)硅基器件的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅基器件的3倍，非常適合于高壓應(yīng)用，如電源、太陽(yáng)能逆變器、火車(chē)和風(fēng)力渦輪機(jī)。

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(duì)于能量效率和空間尺寸要求較高的應(yīng)用，如電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)與電驅(qū)系統(tǒng)、充電樁、光伏微型逆變器、高鐵、智能電網(wǎng)、工業(yè)級(jí)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(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。技術(shù)成熟度最高，應(yīng)用潛力最大。最大的增長(zhǎng)機(jī)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(shì)，一是行駛里程延長(zhǎng)，二是縮短充電時(shí)間，三是需要更高的電池容量。

隨著電動(dòng)汽車(chē)以及其他系統(tǒng)的增長(zhǎng)，碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)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(zhuǎn)換器和牽引逆變器。

當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電機(jī)市場(chǎng)已逐步采用碳化硅SDB，產(chǎn)品集中在1200V/10A、20A，每臺(tái)車(chē)載充電機(jī)需要4-8顆碳化硅SBD，全球已有超20余家汽車(chē)廠商開(kāi)始采用。在著名的電動(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(duì)。在第三賽季使用了IGBT＋SiC SBD后，與傳統(tǒng)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(qū)系統(tǒng)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(yīng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的使用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)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(nèi)有大量噪聲敏感的電子設(shè)備，不良的電磁兼容設(shè)計(jì)往往對(duì)其他車(chē)載電子設(shè)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(duì)SiC器件引起的電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)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(shè)計(jì)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(jiān)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(shù)、提高功率模塊的電氣堅(jiān)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(jié)構(gòu)和互連方法，以替代目前的平面封裝結(jié)構(gòu)和引線(xiàn)鍵合工藝，徹底消除它們帶來(lái)的各種問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 功率器件 電動(dòng)汽車(chē)