功率器件,通常也被稱為電力電子器件,是在電力系統(tǒng)和電氣工程中根據(jù)負(fù)載要求處理電力轉(zhuǎn)換的器件。當(dāng)前功率器件所使用的主流材料依然是Si(硅),但碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料憑借其在高壓、高溫、高頻、高功率、抗輻射等條件下的優(yōu)異特性正展露頭角,被認(rèn)為是現(xiàn)代功率器件領(lǐng)域最富前景的制作材料之一。

據(jù)羅姆半導(dǎo)體(ROHM)預(yù)測(cè),2025年全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到 30 億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率近30%。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至8月,2021年全國(guó)新落地第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目(含產(chǎn)業(yè)園)已超過(guò)11個(gè),近五年簽約項(xiàng)目中,SiC項(xiàng)目數(shù)量眾多,占比63%,且投資金額較大。9月17日,本土第三代半導(dǎo)體龍頭企業(yè)深圳基本半導(dǎo)體宣布完成C1輪融資,將發(fā)力深耕SiC功率器件的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

SiC功率器件優(yōu)勢(shì)顯著

從材料本身來(lái)看,SiC的熱導(dǎo)率是Si的3倍,禁帶寬度是Si的3倍,臨界擊穿電場(chǎng)是Si的8倍,使得SiC功率半導(dǎo)體具有很高的耐壓容量和電流密度。而SiC基器件相較于傳統(tǒng)Si基器件的優(yōu)勢(shì)如表1所示。 表1:Si器件 VS. SiC器件

由于SiC基器件在高溫下的運(yùn)行穩(wěn)定性,可大大節(jié)約系統(tǒng)和模塊成本,簡(jiǎn)化冷卻散熱系統(tǒng),顯著提高了電路的集成度。同時(shí),高開(kāi)關(guān)頻率和高轉(zhuǎn)換效率可減少能量損耗,縮小產(chǎn)品體積,從而降低模塊的整體成本。與Si基功率器件相比,SiC基器件可至少降低能耗33.6%,在峰值效率下工作時(shí)率大于96.0%。

據(jù)ROHM介紹,對(duì)于一款5kW的DC/DC 轉(zhuǎn)換器,如使用SiC MOSFET替代原先的Si IGBT,整體系重量可從7kg降低到0.9kg,體積縮小約85%,能耗降低63%。化合物半導(dǎo)體龍頭科銳(Cree)也展示了類(lèi)似的數(shù)據(jù):在相同電池條件下,搭載了SiC MOSFET的電動(dòng)汽車(chē)比搭載Si基IGBT的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程可提高約5%-10%。

02 SiC功率器件的分類(lèi)和應(yīng)用

目前SiC功率器件主要分為SiC功率二極管、SiC功率晶體管、SiC功率晶體管三大類(lèi),具體如圖2所示。

,以SiC肖特基器件為例,SiC功率器件的應(yīng)用可按電壓等級(jí)分為低電壓應(yīng)用(<600V)、中電壓應(yīng)用(600～1.7kV)和高電壓應(yīng)用(1.7～10kV)。在低電壓領(lǐng)域,主要應(yīng)用對(duì)象是功率因數(shù)校正器(PFC);在中電壓范圍,光伏逆變器、電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)、不間斷電源(UPS)及電動(dòng)機(jī)控制器是主力軍;在高電壓領(lǐng)域,船艦驅(qū)動(dòng)、智能電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換器和機(jī)車(chē)牽引正受到關(guān)注。

目前幾乎所有的Si基功率半導(dǎo)體龍頭都或多或少地在布局SiC功率市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前Cree、英飛凌(Infineon)、ROHM、意法半導(dǎo)體(ST)和三菱電機(jī)合計(jì)約占90%的SiC功率器件市場(chǎng)份額。

SiC功率二極管

截至2020年底,全球已有超20家具有量產(chǎn)SiC二極管產(chǎn)品能力的公司,擊穿電壓主要分布在600V～3.3kV。根據(jù)Mouser統(tǒng)計(jì),2020年共有800款在售SiC SBD產(chǎn)品,中高壓應(yīng)用對(duì)象數(shù)量逐年增長(zhǎng)。

SiC功率晶體管

近年來(lái)國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)均在積極研發(fā)并推出全新的SiC MOSFET,2020年約10家廠商具備量產(chǎn)能力,共推出211款SiC MOSFET產(chǎn)品,擊穿電壓集中在650V和1.2kV。 表2:2020年國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)新發(fā)SiC MOSFET產(chǎn)品

國(guó)際典型廠商有安森美(OnSemi)、Infineon、Cree/Wolfspeed、三菱電機(jī)、富士電機(jī)、ROHM和Semikron等,產(chǎn)品正逐步從混合模塊(Si基IGBT和SiC基SBD)向全SiC模塊過(guò)渡。三菱電機(jī)和ROHM均生產(chǎn)使用SiC開(kāi)關(guān)和SiC SBD的全SiC功率模塊;OnSemi在2020年新推出了一款集成1.2kV SiC MOSFET和1.2kV SiC雙升壓二極管的功率模塊,應(yīng)用目標(biāo)為太陽(yáng)能逆變器,可有效解決在高功率下對(duì)高系統(tǒng)效率的需求。

我國(guó)SiC功率器件商業(yè)化進(jìn)展

在國(guó)內(nèi),現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的SiC功率器件產(chǎn)品以SiC二極管和SiC MOSFET為主,代表企業(yè)包括泰科天潤(rùn)、三安集成、華潤(rùn)微、中車(chē)時(shí)代、基本半導(dǎo)體,產(chǎn)品電壓集中在650V～1.7kV,高壓器件仍處于樣品研發(fā)階段。此外,SiC SBD產(chǎn)業(yè)化剛剛起步,SiC IGBT尚在研發(fā)。

SiC功率模塊方面,比亞迪車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品已上車(chē)使用,此外斯達(dá)半導(dǎo)體、瞻芯電子、基本半導(dǎo)體、世紀(jì)金光、士蘭微等企業(yè)也在積極布局,加快推進(jìn)研發(fā)及擴(kuò)產(chǎn)。

(關(guān)鍵字：半導(dǎo)體)