以碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体能够在更高的温度、电压和频率环境下正常工作，同时功耗更低，耐久性和可靠性更高。这将为下一代更小、更快、更低成本、更高效率的电力电子产品带来跨越式发展机遇。

碳化硅功率电子器件技术的进步和产业化将为高压电力系统开辟新的应用领域，并对电力系统的转型升级产生深远影响。碳化硅功率电子器件具有高效、耐高压、耐高温、高频等优异特性，使其在家庭电器、电机节能、电动汽车、智能电网、航空航天、石油勘探、自动化、雷达和通信等领域具有巨大的应用潜力。

碳化硅功率电子器件简介

1. Definition of silicon carbide (SiC)

碳化硅（SiC）功率电子器件是指采用第三代半导体材料碳化硅（SiC）制成的宽禁带功率电子器件。它具有耐高温、高频和高效率的特点。根据器件的工作形式，SiC功率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）、栅控关断晶闸管（GTO）和发射极关断晶闸管（ETO）等。

2、技术优势

碳化硅半导体优异的性能使得基于碳化硅的功率电子器件与硅器件相比具有以下突出优势：

（1）导通电阻更低。在低击穿电压（约50V）下，碳化硅器件的导通电阻仅为1.12μΩ，约为同类硅器件的1/100。在高击穿电压（约5kV）下，导通电阻增加至25.9mΩ，约为同类硅器件的1/300。更低的导通电阻使得碳化硅功率电子器件具有更小的导通损耗，从而实现更高的整机效率。

（2）具有更高的击穿电压。例如：商用硅肖特基二极管的额定电压通常低于300V，但首个商用碳化硅肖特基二极管的额定电压已达到600V；首个商用碳化硅MOSFET的额定电压为1200V，而大多数常用的硅MOSFET的额定电压低于1kV。

(3) Lower junction-case thermal resistance makes the temperature of the device rise slower.

（4）更高的极限工作温度。碳化硅的极限工作稳定性预计可达600℃以上，而硅器件的最高结温仅为150℃。

（5）更强的抗辐射能力，可以减轻航空等领域使用辐射屏蔽设备的重量。

（6）稳定性更高，碳化硅器件的正向和反向特性随温度变化很小。

（7）更低的作弊损耗。碳化硅器件的开关损耗小，并且可以在更高的开关频率（>20kHz）下工作，而硅器件在数十千瓦的功率水平下很难实现这一点。

3. 主要类别

（1）碳化硅肖特基二极管

作为一种单极器件，肖特基势垒二极管（SBD）在导通过程中没有额外的载流子注入和存储，因此基本上没有反向恢复电流。其关断过程非常迅速，开关损耗也很小。然而，硅的肖特基势垒较低，硅SBD的反向漏电流相对较大，阻断电压也较低，因此只能用于100到200伏的低电压应用。PiN二极管通常用于更高电压的应用，但其反向恢复电流较大，开关损耗也较大。由于碳化硅材料具有很高的临界雪崩击穿电场强度，因此相对容易制造出反向击穿电压超过1000伏的碳化硅SBD。

基于碳化硅（SiC）的这些独特优势，科锐（Cree）等半导体器件制造商生产出单器件电流范围为1-20A、电压等级为300V、600V和1200V的高压SiC肖特基二极管产品。表1列出了目前主要的国际碳化硅肖特基二极管（SBD）制造商及其商用器件的等级。科锐近期推出了最新的1700V电压等级碳化硅SBD。在高压开关应用中，SiC肖特基二极管可提供近乎理想的性能。它几乎没有正向恢复电压，因此可以立即导通。与结电容不同，其存储电荷也非常小，因此可以快速关断。

(2) Silicon carbide power transistor

美国半导体公司（American SemiSouth Company）对碳化硅结型场效应晶体管（SiC JFET）进行了深入研究，目前是全球商用碳化硅结型场效应晶体管的主要供应商。其SiC JFET产品的最大额定电压可达1700V，最大额定电流为30A。

由于硅MOSFET具有优异的特性和成功的应用，碳化硅MOSFET已成为碳化硅功率电子器件研究中最热门的器件。美国科锐公司在碳化硅MOSFET研究领域取得了突破性进展，并推出了两款商用碳化硅MOSFET产品——10A/1200V和20A/1200V，成为全球唯一一家提供商用分立式碳化硅MOSFET的制造商。日本罗姆公司也在积极推进其碳化硅MOSFET的商业化进程。这些早期的SiC N沟道DMOSFET主要面向1200V应用。在该电压等级下，SiC MOSFET比目前的硅器件具有更大的优势。

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国外碳化硅器件的发展现状 1. 美国

As early as 1997, in the "National Defense and Science Plan" formulated, the United States clearly defined the development goals of wide-bandgap semiconductors. In 2014, President Obama personally led the establishment of the third-generation wide-bandgap semiconductor industry alliance represented by SiC to fully support wide-bandgap semiconductor technology to lead technological innovation in the next generation of power electronics manufacturing. The alliance has currently received a total of US$140 million in support from federal and local governments. It plans to make wide-bandgap semiconductor technology competitive with current silicon-based power electronics technology in terms of cost in the next five years, becoming the next generation of energy-saving, efficient and high-power power electronic chips and devices. It will lead many of the world's largest and fastest-growing industrial markets, including consumer electronics, industrial equipment, communications, clean energy, etc., comprehensively enhance international competitiveness and create high-paying jobs.

2。 日本

自1998年以来，日本政府持续资助宽禁带半导体技术的研究。2013年，日本将碳化硅（SiC）材料体系纳入“首相战略”，认为未来50%的节能将通过碳化硅器件实现，从而开启清洁能源新时代。近年来，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）启动了碳化硅功率电子器件相关研究计划，重点关注碳化硅功率模块在铁路机车电路系统、各种电力交换系统、发电及电集成涡轮增压器废热回收系统、尖端医疗设备以及加速器小型化等领域的应用，以实现节能增效的目标。

3.欧洲联盟

In 2014, the European Union launched a three-year (2014-2017) SiC power technology research program for high-efficiency power systems (SPEED), with a total investment of 18.58 million euros. 12 research institutions and companies in 7 countries participated in the plan. The goal of this plan is to jointly conquer SiC power electronic device technology by bringing together the world's leading manufacturers and researchers, break through the technical bottleneck of the entire SiC power electronic device industry chain, and achieve widespread application in the field of renewable energy. In 2015, the German Federal Research Ministry funded Karlsruhe Institute of Technology and industrial partners (funding amount of 800,000 euros) to conduct research on improving the energy efficiency of high-frequency power supplies based on SiC switching devices to improve the energy efficiency of power supplies in industrial production, reduce energy consumption and reduce CO2 emissions. 03

中国碳化硅器件的发展现状

1. 泰科天润

泰科天润成立于2011年，其产品线涵盖基础核心技术产品、碳化硅模塑产品以及多套行业解决方案。其中，碳化硅肖特基二极管是其基础核心产品的代表。

2015年，泰科天润宣布推出一款3300V/50A大功率碳化硅肖特基二极管产品。据报道，该产品具有正向压降低、开关速度快、导热性能优异等特点，适用于轨道交通、智能电网等高端领域。

据报道，3300V/50A大功率碳化硅肖特基二极管的典型正向压降为2.22V（IF=50A，Tj=25℃）和4.75V（IF=50A，Tj=175℃）；典型反向漏电流为120μA（VR=3300V，Tj=25℃）和200μA（VR=3300V，Tj=175℃）；在严苛的电气环境下具有极高的可靠性；可在-55℃至175℃的温度范围内正常工作。产品以裸芯片形式提供，封装类型可根据客户要求定制。

2. 深圳基础半导体

深圳基础半导体有限公司成立于2016年，专注于碳化硅功率器件的研发和产业化，是深圳第三代半导体研究院的发起单位之一。公司长期致力于碳化硅功率器件的研发，主要产品包括碳化硅二极管、碳化硅MOSFET和车规级全碳化硅MOSFET模块，广泛应用于新能源发电、新能源汽车、轨道交通和智能电网等领域。

2018年10月，基本半导体正式发布了1200V碳化硅MOSFET，这是中国企业自主设计并通过可靠性测试的首款工业级产品。其性能达到国际领先水平，短路耐受时间长达6μs。

3、扬杰科技

杨杰科技专注于功率半导体芯片及器件制造、集成电路封装和测试领域的产业发展。其主要产品包括各类功率电子器件芯片、功率二极管、整流桥、大功率模块、DFN/QFN封装产品、SGTMOS、碳化硅SBD、碳化硅JBS等。产品广泛应用于消费电子、安防、工业控制、汽车电子、新能源等众多领域。

杨杰科技官网显示，目前共有四款碳化硅肖特基模块，型号分别为MB200DU01FJ、MB200DU02FJ、MB300U02FJ和MB40DU12FJ。查阅数据手册可知，MB200DU01FJ型号可应用于电镀电源、高频电源、大电流开关电源、电池反接保护、焊接机等多种场景。

3. 芯部光泽湿润

新光润泽成立于2016年3月，是一家专注于第三代碳化硅（SiC）功率器件及模块研发与制造的高新技术企业。2018年9月18日，新光润泽首条国内碳化硅智能功率模块（SiCIPM）生产线正式投产。该项目于2016年12月正式开工建设。据悉，生产线稳定投产后，月产量可达30万片，年产量可达360万片。公司目前拥有碳化硅产品，包括碳化硅肖特基二极管（SBD）和碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。例如，XGSCS1230SWA是其碳化硅SBD产品之一，可满足1200V的电压要求。该产品适用于开关电源、功率因数校正、逆变器、不间断电源（UPS）、电机驱动等应用场景。

4. Ruineng Semiconductor

瑞能半导体股份有限公司是由恩智浦半导体和北京建光资产管理有限公司共同成立的高新技术合资企业。瑞能半导体致力于开发业界领先、产品线丰富且技术精湛的双极型功率半导体产品组合，包括可控硅整流器、三端双向可控硅开关元件、硅功率二极管、高压晶体管和碳化硅二极管。其碳化硅二极管主要应用于工业、服务器、空调等领域。据官网介绍，瑞能半导体拥有25款碳化硅二极管产品，均可满足650V的电压要求，例如NXPSC16650B型号，可用于功率因数校正、开关电源、不间断电源（UPS）、光伏逆变器、LED/OLED电视、电机驱动等应用场景。

5、上海展新电子

上海展鑫电子致力于开发以碳化硅功率器件为核心的高性价比功率芯片和模块产品，为电源和电机驱动系统的微型化、高效化和轻量化提供完整的半导体解决方案。

2017年10月，碳化硅（SiC）MOSFET的制造工艺在成熟的量产型6英寸工艺生产线上完成。晶圆级测试结果表明，各项电学参数均符合预期，为进一步优化工艺和器件设计奠定了坚实的基础。2018年5月1日，首片国产6英寸SiC MOSFET晶圆正式诞生。

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碳化硅器件的典型应用 1. 5G 基础设施 - 通信电源

通信电源是服务器和基站通信的能量库，它为各种传输设备供电，确保通信系统的正常运行。碳化硅MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，整体电源效率更高；碳化硅肖特基二极管的反向恢复特性几乎为零，使其在多种PFC电路中具有广阔的应用前景。例如，在3kW高效通信电源无桥交错式PFC电路中，采用650V/10A碳化硅肖特基二极管可以帮助客户实现满载效率≥95%的高技术要求。

2. 新能源汽车充电桩 - 充电桩功率模块

新能源汽车产业的快速发展带动了充电桩需求的增长。对于新能源电动汽车而言，提高充电速度和降低充电成本是产业发展的两大主要目标。在充电桩功率模块中使用碳化硅器件，可以实现充电桩功率模块的高效率和高功率输出，从而提高充电速度并降低充电成本。

3. 大数据中心、工业互联网——服务器电源

服务器电源是服务器的能量库，它为服务器系统提供电力，以确保其正常运行。在服务器电源中使用碳化硅功率器件可以提高服务器电源的功率密度和效率，缩小数据中心的整体尺寸，降低数据中心的整体建设成本，并实现更高的环境效益。例如，在3kW服务器电源模块中，采用图腾柱式PFC电路中的碳化硅MOSFET可以显著提高服务器电源的效率，满足更高的效率要求。

4. 超高压——柔性输电直流断路器的应用

作为大型系统工程，特高压将引发一系列对原材料和零部件的需求。电力器件是特高压直流输电中柔性交流输电系统（FACTS）的关键部件，在输电端是电力电子变压器（PET），在变电站端也是关键部件。直流断路器作为柔性直流输电的关键组成部分，其可靠性对整个输电系统的稳定性有着重大影响。采用传统的硅基器件设计直流断路器需要将多个子单元串联起来。而采用高压碳化硅器件设计直流断路器可以大幅减少串联子单元的数量，这是行业研究的一个重点方向。

5. Intercity high-speed rail and intercity rail transit - traction converter, power electronic transformer, auxiliary converter, auxiliary power supply

未来的轨道交通将对牵引变流器、电力电子电压转换器等电力电子设备提出更高的要求。采用碳化硅功率器件可以显著提高这些器件的功率密度和工作效率，从而大幅降低轨道交通系统的承载能力。碳化硅器件能够进一步提高设备的效率并实现小型化，在轨道交通领域具有巨大的技术优势。日本新干线N700S率先在牵引变流器中应用了碳化硅功率器件，显著降低了车辆重量，提高了载重效率，并降低了运营成本。

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结论：尽管碳化硅功率电子器件目前仍存在输出功率低、价格高、商用器件种类少、缺乏高温封装等问题，但随着碳化硅功率电子器件技术研究的不断深入，这些问题将逐步得到解决。更多更优质的商用碳化硅功率电子器件将陆续推向市场，极大地拓展其应用领域。在不久的将来，碳化硅功率器件将成为降​​低功率损耗、提高各种转换器应用中的效率和功率密度的关键器件。

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