以碳化矽為代表的第三代寬禁帶半導體能夠在更高的溫度、電壓和頻率環境下正常運作，同時功耗更低，耐久性和可靠性更高。這將為下一代更小、更快、更低成本、更高效率的電力電子產品帶來跨越式發展機會。

碳化矽功率電子元件技術的進步和產業化將為高壓電力系統開闢新的應用領域，並對電力系統的轉型升級產生深遠影響。碳化矽功率電子元件具有高效能、耐高壓、耐高溫、高頻等優異特性，使其在家庭電器、馬達節能、電動車、智慧電網、航空航太、石油勘探、自動化、雷達和通訊等領域具有巨大的應用潛力。

碳化矽功率電子元件簡介

1. 碳化矽（SiC）的定義

碳化矽（SiC）功率電子元件是指由第三代半導體材料碳化矽（SiC）製成的寬禁帶功率電子元件。它具有耐高溫、高頻和高效率的特性。根據裝置的工作形式，SiC功率電子裝置主要包括功率二極體和功率開關管。功率二極體包括結勢壘肖特基（JBS）二極體、PiN二極體和超結二極體；功率開關管主要包括金屬氧化物半導體場效應開關管（MOSFET）、結型場效應開關管（JFET）、雙極型開關管（BJT）、閘極極極極電極化電極化電極化電極化電極化電極化電極化電極化電極化電閘管（電晶體管）。

2.技術優勢

碳化矽半導體優異的性能使得基於碳化矽的功率電子裝置與矽元件相比具有以下突出優勢：

（1）導通電阻更低。在低擊穿電壓（約50V）下，碳化矽元件的導通電阻僅1.12μΩ，約為同類矽元件的1/100。在高擊穿電壓（約5kV）下，導通電阻增加至25.9mΩ，約為同類矽元件的1/300。更低的導通電阻使得碳化矽功率電子元件具有更小的導通損耗，從而實現更高的整機效率。

（2）具有更高的擊穿電壓。例如：商用矽肖特基二極體的額定電壓通常低於300V，但首個商用碳化矽肖特基二極體的額定電壓已達到600V；首個商用碳化矽MOSFET的額定電壓為1200V，而大多數常用的矽MOSFET的額定電壓為1kV。

（3）較低的結殼熱阻使裝置溫度上升得更慢。

（4）更高的極限工作溫度。碳化矽的極限工作穩定性預計可達600℃以上，矽元件的最高結溫僅150℃。

（5）更強的抗輻射能力，可以減輕航空等領域使用輻射屏蔽設備的重量。

（6）穩定性較高，碳化矽元件的正向和反向特性隨溫度變化很小。

（7）更低的作弊損耗。碳化矽元件的開關損耗小，並且可以在更高的開關頻率（>20kHz）下工作，而矽元件在數十千瓦的功率水平下很難實現這一點。

3. 主要類別

（1）碳化矽肖特基二極體

作為一種單極裝置，蕭特基勢壘二極體（SBD）在導通過程中沒有額外的載子注入和存儲，因此基本上沒有反向恢復電流。其關斷過程非常迅速，開關損耗也很小。然而，矽的蕭特基勢壘較低，矽SBD的反向漏電流相對較大，阻斷電壓也較低，因此只能用於100到200伏特的低電壓應用。 PiN二極體通常用於更高電壓的應用，但其反向恢復電流較大，開關損耗也較大。由於碳化矽材料具有很高的臨界雪崩擊穿電場強度，因此相對容易製造出反向擊穿電壓超過1000伏特的碳化矽SBD。

基於碳化矽（SiC）的這些獨特優勢，科銳（Cree）等半導體裝置製造商生產出單元件電流範圍為1-20A、電壓等級為300V、600V和1200V的高壓SiC蕭特基二極體產品。表1列出了目前主要的國際碳化矽肖特基二極體（SBD）製造商及其商用裝置的等級。科銳近期推出了最新的1700V電壓等級碳化矽SBD。在高壓開關應用中，SiC肖特基二極體可提供近乎理想的性能。它幾乎沒有正向恢復電壓，因此可以立即導通。與結電容不同，其儲存電荷也非常小，因此可以快速關閉。

（2）碳化矽功率電晶體

美國半導體公司（American SemiSouth Company）對碳化矽結型場效電晶體（SiC JFET）進行了深入研究，目前是全球商用碳化矽結型場效電晶體（SiC JFET）進行了深入研究，目前是全球商用碳化矽結型場效電晶體的主要供應商。其SiC JFET產品的最大額定電壓可達1700V，最大額定電流為30A。

由於矽MOSFET具有優異的特性和成功的應用，碳化矽MOSFET已成為碳化矽功率電子元件研究中最熱門的裝置。美國科銳公司在碳化矽MOSFET研究領域取得了突破性進展，並推出了兩款商用碳化矽MOSFET產品－10A/1200V和20A/1200V，成為全球唯一一家供應商用分離式碳化矽MOSFET的製造商。日本羅姆公司也積極推動其碳化矽MOSFET的商業化進程。這些早期的SiC N通道DMOSFET主要面向1200V應用。在該電壓等級下，SiC MOSFET比目前的矽元件具有更大的優勢。

02

國外碳化矽元件的發展現況 1. 美國

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年以來，日本政府持續資助寬禁帶半導體技術的研究。 2013年，日本將碳化矽（SiC）材料體系納入“首相策略”，認為未來50%的節能將透過碳化矽元件實現，從而開啟清潔能源新時代。近年來，日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）啟動了碳化矽功率電子裝置相關研究計劃，重點關注碳化矽功率模組在鐵路機車電路系統、各種電力交換系統、發電及電集成渦輪增壓器廢熱回收系統、尖端醫療設備以及加速器小型化等領域的應用，以實現節能增效的目標。

3.歐洲聯盟

2014年，歐盟啟動了為期三年（2014-2017）的高效電源系統碳化矽（SiC）電力技術研究計畫​​（SPEED），總投資18.58萬歐元。來自7個國家的12家研究機構和企業參與了該計劃。該計畫的目標是透過匯聚世界領先的製造商和研究人員，共同攻克SiC功率電子裝置技術，突破SiC功率電子裝置產業鏈的技術瓶頸，並實現其在再生能源領域的廣泛應用。 2015年，德國聯邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學院及其工業合作夥伴（資助金額80萬歐元），進行基於SiC開關裝置的高頻電源能效提升研究，旨在提高工業生產中電源的能效，降低能耗和二氧化碳排放。

中國碳化矽元件的發展現狀

1. 泰科天潤

泰科天潤成立於2011年，其產品線涵蓋基礎核心技術產品、碳化矽模塑產品以及多套產業解決方案。其中，碳化矽肖特基二極體是其基礎核心產品的代表。

2015年，泰科天潤宣布推出3300V/50A高功率碳化矽肖特基二極體產品。據報道，該產品具有正向壓降低、開關速度快、導熱性能優異等特點，適用於軌道運輸、智慧電網等高階領域。

據報道，3300V/50A大功率碳化矽肖特基二極體的典型正向壓降為2.22V（IF=50A，Tj=25℃）和4.75V（IF=50A，Tj=175℃）；典型反向漏電流為1 20μA（VR=3300V，Tj=25℃）和200μA（VR=3300V，Tj=175℃）；在嚴苛的電氣環境下具有極高的可靠性；可在-55℃至175℃的溫度範圍內正常工作。產品以裸晶片形式提供，封裝類型可依客戶要求客製化。

2. 深圳基礎半導體

深圳基礎半導體有限公司成立於2016年，專注於碳化矽功率裝置的研發與產業化，是深圳第三代半導體研究院的發起單位之一。本公司長期致力於碳化矽功率元件的研發，主要產品包括碳化矽二極體、碳化矽MOSFET及車規級全碳化矽MOSFET模組，廣泛應用於新能源發電、新能源汽車、軌道運輸及智慧電網等領域。

2018年10月，基本半導體正式發表了1200V碳化矽MOSFET，這是中國企業自主設計​​並通過可靠性測試的首款工業級產品。其性能達到國際領先水平，短路耐受時間長達6μs。

3、揚傑科技

楊傑科技專注於功率半導體晶片及裝置製造、積體電路封裝和測試領域的產業發展。其主要產品包括各類功率電子元件晶片、功率二極體、整流橋、高功率模組、DFN/QFN封裝產品、SGTMOS、碳化矽SBD、碳化矽JBS等。產品廣泛應用於消費性電子、安防、工業控制、汽車電子、新能源等眾多領域。

楊傑科技官網顯示，目前共有四款碳化矽肖特基模組，型號分別為MB200DU01FJ、MB200DU02FJ、MB300U02FJ及MB40DU12FJ。查閱資料手冊可知，MB200DU01FJ型號可應用於電鍍電源、高頻電源、高電流開關電源、電池反接保護、焊接機等多種場景。

3. 芯部光澤濕潤

新光潤澤成立於2016年3月，是一家專注於第三代碳化矽（SiC）功率元件及模組研發與製造的高新技術企業。 2018年9月18日，新光潤澤首條國內碳化矽智慧功率模組（SiCIPM）生產線正式投產。本工程於2016年12月正式動工。據悉，生產線穩定投產後，月產量可達30萬片，年產量可達360萬片。公司目前擁有碳化矽產品，包括碳化矽肖特基二極體（SBD）和碳化矽金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）。例如，XGSCS1230SWA是其碳化矽SBD產品之一，可滿足1200V的電壓要求。本產品適用於開關電源、功率因數校正、逆變器、不間斷電源（UPS）、馬達驅動等應用情境。

4. 瑞能半導體

瑞能半導體股份有限公司是由恩智浦半導體和北京建光資產管理有限公司共同成立的高新技術合資企業。瑞能半導體致力於開發業界領先、產品線豐富且技術精湛的雙極型功率半導體產品組合，包括可控矽整流器、三端雙向可控矽開關元件、矽功率二極體、高壓電晶體和碳化矽二極體。其碳化矽二極體主要應用於工業、伺服器、空調等領域。根據官網介紹，瑞能半導體擁有25款碳化矽二極體產品，皆可滿足650V的電壓需求，例如NXPSC16650B型號，可用於功率因數校正、開關電源、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器、LED/OLED電視、馬達驅動等應用場景。

5.上海展新電子

上海展鑫電子致力於開發以碳化矽功率裝置為核心的高性價比功率晶片和模組產品，為電源和馬達驅動系統的微型化、高效化和輕量化提供完整的半導體解決方案。

2017年10月，碳化矽（SiC）MOSFET的製造流程在成熟的量產型6吋製程生產線上完成。晶圓級測試結果表明，各項電學參數均符合預期，為進一步優化製程和裝置設計奠定了堅實的基礎。 2018年5月1日，首片國產6吋SiC MOSFET晶圓正式誕生。

04

碳化矽元件的典型應用 1. 5G 基礎設施 - 通訊電源

通訊電源是伺服器和基地台通訊的能量庫，它為各種傳輸設備供電，確保通訊系統的正常運作。碳化矽MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，整體電源效率更高；碳化矽肖特基二極體的反向恢復特性幾乎為零，使其在多種PFC電路中具有廣闊的應用前景。例如，在3kW高效率通訊電源無橋交錯式PFC電路中，採用650V/10A碳化矽肖特基二極體可以幫助客戶實現滿載效率≥95%的高技術要求。

2. 新能源車充電樁 - 充電樁功率模組

新能源汽車產業的快速發展帶動了充電樁需求的成長。對新能源電動車而言，提高充電速度、降低充電成本是產業發展的兩大主要目標。在充電樁功率模組中使用碳化矽元件，可實現充電樁功率模組的高效率和高功率輸出，從而提高充電速度並降低充電成本。

3. 大數據中心、工業互聯網－伺服器電源

伺服器電源是伺服器的能量庫，它為伺服器系統提供電力，以確保其正常運作。在伺服器電源中使用碳化矽功率元件可以提高伺服器電源的功率密度和效率，縮小資料中心的整體尺寸，降低資料中心的整體建造成本，並實現更高的環境效益。例如，在3kW伺服器電源模組中，採用圖騰柱式PFC電路中的碳化矽MOSFET可顯著提高伺服器電源的效率，並滿足更高的效率需求。

4. 超高壓－柔性輸電直流斷路器的應用

作為大型系統工程，特高壓將引發一系列對原材料和零件的需求。電力元件是特高壓直流輸電中柔性交流輸電系統（FACTS）的關鍵零件，在輸電端是電力電子變壓器（PET），在變電站端也是關鍵零件。直流斷路器作為柔性直流輸電的關鍵組成部分，其可靠性對整個輸電系統的穩定性有重大影響。採用傳統的矽基元件設計直流斷路器需要將多個子單元串聯起來。而採用高壓碳化矽元件設計直流斷路器可以大幅減少串聯子單元的數量，這是產業研究的重點方向。

5. 城際高速鐵路與城際軌道運輸－牽引變流器、電力電子變壓器、輔助變流器、輔助電源

未來的軌道運輸將對牽引變流器、電力電子電壓轉換器等電力電子設備提出更高的要求。採用碳化矽功率元件可以顯著提高這些元件的功率密度和工作效率，從而大幅降低軌道運輸系統的承載能力。碳化矽元件能夠進一步提高設備的效率並實現小型化，在軌道運輸領域具有巨大的技術優勢。日本新幹線N700S率先在牽引變流器中應用了碳化矽功率裝置，顯著降低了車輛重量，提高了載重效率，並降低了營運成本。

05

結論：儘管碳化矽功率電子裝置目前仍存在輸出功率低、價格高、商用裝置種類少、缺乏高溫封裝等問題，但隨著碳化矽功率電子元件技術研究的不斷深入，這些問題將逐步解決。更多更優質的商用碳化矽功率電子元件將陸續推向市場，大幅拓展其應用領域。在不久的將來，碳化矽功率元件將成為降低功率損耗、提高各種轉換器應用中的效率和功率密度的關鍵裝置。

註：本文轉載自網絡，支持智慧財產權保護。轉載請註明原出處及作者。如有侵權，請聯絡我們刪除。

公司電話號碼：+86-0755-83044319
傳真：+86-0755-83975897
郵箱：1615456225@qq.com
QQ：3518641314 李經理

QQ：332496225 邱經理

地址：深圳市龍華新區民治大道1079號展濤科技大樓C座809室