目前電網(wǎng)技術正向智能化發(fā)展，碳化硅電力電子器件技術的進步及產業(yè)化，將在高壓電力系統(tǒng)開辟全新應用，對電力系統(tǒng)變革產生深遠影響。碳化硅電力電子器件優(yōu)異的高效、高壓、高溫和高頻特性，使其在家用電器、電機節(jié)能、電動汽車、智能電網(wǎng)、航天航空、石油勘探、自動化、雷達與通信等領域有很大應用潛力。

一、關于碳化硅電力電子器件

1.定義電力電子器件(PowerElectronicDevice)又稱為功率半導體器件，主要指用于電力設備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件。碳化硅(SiC)電力電子器件是指采用第三代半導體材料SiC制造的一種寬禁帶電力電子器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式，SiC電力電子器件主要包括功率二極管和功率開關管。功率二極管包括結勢壘肖特基(JBS)二極管、PiN二極管和超結二極管;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)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)和發(fā)射極可關斷晶閘管(ETO)等。

2.技術優(yōu)勢與硅基電力電子器件必須采用硅單晶制造一樣，SiC電力電子器件是采用微電子工藝方法在SiC晶圓材料上加工出來的，目前常用的是4H-SiC型單晶襯底材料，以及在襯底上生長出來的外延材料。是硅的三倍，臨界擊穿電場比硅材料高一個數(shù)量級，相同結構下，其阻斷能力比硅器件高好多倍，相同的擊穿電壓下，SiC器件的漂移區(qū)可以更薄，可保證其擁有更小的導通電阻。一般硅器件最高到200℃就會因熱擊穿造成失效，而SiC具有的寬禁帶特性，保證了SiC器件可以在500℃以上高溫環(huán)境工作，且具有極好抗輻射性能。SiC電力電子器件的開關頻率高于同結構硅器件，可大幅降低開關損耗，大大提高系統(tǒng)效率;在應用于功率集成系統(tǒng)時，SiC器件無反向恢復、散熱性好的突出特點，可使相關電路得到優(yōu)化，從而在整體上縮減系統(tǒng)尺寸，減輕系統(tǒng)重量，節(jié)約系統(tǒng)成本。

SiC電力電子器件重要系統(tǒng)優(yōu)勢在于其高壓(達數(shù)萬伏)、高溫(大于500℃)特性，突破了硅器件電壓(數(shù)kV)和溫度(小于200℃)限制所導致的嚴重系統(tǒng)局限性。3.應用SiC電力電子器件率先在低壓領域實現(xiàn)產業(yè)化，目前商業(yè)產品電壓等級在600～1700V，已開始替代傳統(tǒng)硅器件。高壓SiC電力電子器件目前已研發(fā)出27kVPiN二極管、10~15kV/≥10AMOSFET、20kVGTO、22kVETO和27kV的N型IGBT等。當前SiC電力電子器件的成熟度和可靠性不斷提高，正在逐步成為保障電子裝備現(xiàn)代化的必要技術。

二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1.科技政策與戰(zhàn)略規(guī)劃20世紀80年代以來，美、日、歐等發(fā)達國家為保持航天、軍事和技術強國地位，始終將寬禁帶半導體技術放在極其重要的戰(zhàn)略地位，投入巨資實施了多項旨在提升裝備系統(tǒng)能力和減小模塊組件體積的技術開發(fā)計劃，取得了良好效果。

(1)美國。早在1997年制定的“國防與科學計劃”中，美國就明確了寬禁帶半導體的發(fā)展目標。2014年，奧巴馬總統(tǒng)親自主導成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體產業(yè)聯(lián)盟，全力支持寬禁帶半導體技術，以引領下一代電力電子制造業(yè)的技術創(chuàng)新。該聯(lián)盟目前已獲得聯(lián)邦和地方政府總計1.4億美元支持，計劃在未來5年里，使寬禁帶半導體技術在成本上具有與當前硅基電力電子技術競爭的能力，成為下一代節(jié)能、高效大功率電力電子芯片和器件，引領包括消費類電子、工業(yè)設備、通訊、清潔能源等在內的，多個全球最大規(guī)模、最快增長速度的產業(yè)市場，全面提升國際競爭力并創(chuàng)造高薪就業(yè)機會。2016年，美國陸軍資助通用電氣公司(GE)2.1億美元，用一年時間，采用新型SiCMOSFET器件與GaN器件，實現(xiàn)15kW、28V/600V的DC-DC雙向整流裝置，預期使現(xiàn)有硅基電力電子裝備尺寸減小50%、功率能力提升2倍，以提升陸軍坦克在高溫下的作戰(zhàn)能力。

(2)日本。從1998年開始，日本政府持續(xù)資助寬禁帶半導體技術研究。2013年，日本將SiC材料體系納入“首相戰(zhàn)略”，認為未來50%的節(jié)能要通過SiC器件來實現(xiàn)，以便創(chuàng)造清潔能源的新時代。近幾年，日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)制定了一系列關于SiC材料與器件的國家計劃，如“國家硬電子計劃”，主要發(fā)展高能、高速、高功率開關器件，用于空間、原子能、存儲及信息通訊。2015年NEDO啟動了SiC電力電子器件相關的研究計劃，重點針對SiC功率模塊在鐵路機車電路系統(tǒng)、多樣性電力交換系統(tǒng)、發(fā)電電動一體渦輪增壓機廢熱回收系統(tǒng)、尖端醫(yī)療設備和加速器小型化等領域的應用進行研究，以實現(xiàn)節(jié)能、增效的目標。

(3)歐盟。2014年，歐盟啟動為期3年(2014—2017年)的，應用于高效電力系統(tǒng)的SiC電力技術研究計劃(SPEED)，總投入達1858萬歐元，7個國家的12家研究機構和企業(yè)參與了該計劃。該計劃目標是通過匯集世界領先的制造商和研究人員來聯(lián)合攻克SiC電力電子器件技術，突破SiC電力電子器件全產業(yè)鏈的技術瓶頸，實現(xiàn)在可再生能源領域的廣泛應用。2015年，德國聯(lián)邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學院和工業(yè)界合作伙伴(資助金額80萬歐元)，開展基于SiC開關器件提升高頻電源能效的研究，以提升工業(yè)生產中電源的能效，降低能源消耗和減少CO2排放。

2.技術進展隨著SiC外延材料技術不斷進步，主要發(fā)達國家競相發(fā)展SiC電力電子器件技術。近年來，多家國際大公司快速向6英寸SiC電力電子器件制造工藝轉移，SiC器件產品也在向高壓端和大容量端擴展。目前JBS二極管、PiN二極管、MOSFET、IGBT、GTO開關管等SiC器件已實現(xiàn)10kV以上電壓等級的樣品，其中單管器件最高電壓達到27kV以上。SiC電力電子器件的產業(yè)化主要以德國英飛凌、美國Cree公司、GE和日本羅姆公司、豐田公司等為代表。SiC電力電子器件首先由英飛凌于2000年前后在JBS二極管上取得突破，打開市場化的僵局，目前SiCJBS二極管已廣泛應用于高端電源市場。Cree、英飛凌、羅姆等公司逐步推出SiCMOSFET、JFET等產品，豐田公司則把SiCMOSFET器件應用到電動汽車中。2015年，CREE公司推出全球首款全碳化硅功率模塊產品CAS300M17BM2，該產品有能力完全取代現(xiàn)有額定電流為400A或更高的硅基IGBT模塊，非常適用于高功率電機驅動開關和并網(wǎng)逆變器等應用。