目前電網(wǎng)技術(shù)正向智能化發(fā)展，碳化硅電力電子器件技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化，將在高壓電力系統(tǒng)開辟全新應(yīng)用，對電力系統(tǒng)變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(jī)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(dá)與通信等領(lǐng)域有很大應(yīng)用潛力。

一、關(guān)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(dǎo)體器件，主要指用于電力設(shè)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(dǎo)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(guān)管。功率二極管包括結(jié)勢壘肖特基(JBS)二極管、PiN二極管和超結(jié)二極管;功率開關(guān)管主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)開關(guān)管(MOSFET)、結(jié)型場效應(yīng)開關(guān)管(JFET)、雙極型開關(guān)管(BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管(ETO)等。

2.技術(shù)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(guān)頻率高于同結(jié)構(gòu)硅器件，可大幅降低開關(guān)損耗，大大提高系統(tǒng)效率;在應(yīng)用于功率集成系統(tǒng)時，SiC器件無反向恢復(fù)、散熱性好的突出特點(diǎn)，可使相關(guān)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(dá)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(dǎo)致的嚴(yán)重系統(tǒng)局限性。3.應(yīng)用SiC電力電子器件率先在低壓領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前商業(yè)產(chǎn)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(dāng)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(shù)。

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(jì)80年代以來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家為保持航天、軍事和技術(shù)強(qiáng)國地位，始終將寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)放在極其重要的戰(zhàn)略地位，投入巨資實(shí)施了多項(xiàng)旨在提升裝備系統(tǒng)能力和減小模塊組件體積的技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，取得了良好效果。

(1)美國。早在1997年制定的“國防與科學(xué)計(jì)劃”中，美國就明確了寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展目標(biāo)。2014年，奧巴馬總統(tǒng)親自主導(dǎo)成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，全力支持寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，以引領(lǐng)下一代電力電子制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。該聯(lián)盟目前已獲得聯(lián)邦和地方政府總計(jì)1.4億美元支持，計(jì)劃在未來5年里，使寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在成本上具有與當(dāng)前硅基電力電子技術(shù)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(lǐng)包括消費(fèi)類電子、工業(yè)設(shè)備、通訊、清潔能源等在內(nèi)的，多個全球最大規(guī)模、最快增長速度的產(chǎn)業(yè)市場，全面提升國際競爭力并創(chuàng)造高薪就業(yè)機(jī)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(shí)現(xiàn)15kW、28V/600V的DC-DC雙向整流裝置，預(yù)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(dǎo)體技術(shù)研究。2013年，日本將SiC材料體系納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%的節(jié)能要通過SiC器件來實(shí)現(xiàn)，以便創(chuàng)造清潔能源的新時代。近幾年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)制定了一系列關(guān)于SiC材料與器件的國家計(jì)劃，如“國家硬電子計(jì)劃”，主要發(fā)展高能、高速、高功率開關(guān)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(guān)的研究計(jì)劃，重點(diǎn)針對SiC功率模塊在鐵路機(jī)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(jī)廢熱回收系統(tǒng)、尖端醫(yī)療設(shè)備和加速器小型化等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、增效的目標(biāo)。

(3)歐盟。2014年，歐盟啟動為期3年(2014—2017年)的，應(yīng)用于高效電力系統(tǒng)的SiC電力技術(shù)研究計(jì)劃(SPEED)，總投入達(dá)1858萬歐元，7個國家的12家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與了該計(jì)劃。該計(jì)劃目標(biāo)是通過匯集世界領(lǐng)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(shù)，突破SiC電力電子器件全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)在可再生能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。2015年，德國聯(lián)邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學(xué)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(guān)器件提升高頻電源能效的研究，以提升工業(yè)生產(chǎn)中電源的能效，降低能源消耗和減少CO2排放。

2.技術(shù)進(jìn)展隨著SiC外延材料技術(shù)不斷進(jìn)步，主要發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展SiC電力電子器件技術(shù)。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(zhuǎn)移，SiC器件產(chǎn)品也在向高壓端和大容量端擴(kuò)展。目前JBS二極管、PiN二極管、MOSFET、IGBT、GTO開關(guān)管等SiC器件已實(shí)現(xiàn)10kV以上電壓等級的樣品，其中單管器件最高電壓達(dá)到27kV以上。SiC電力電子器件的產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)品，豐田公司則把SiCMOSFET器件應(yīng)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(chǎn)品CAS300M17BM2，該產(chǎn)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(jī)驅(qū)動開關(guān)和并網(wǎng)逆變器等應(yīng)用。