功率器件,通常也被稱為電力電子器件,是在電力系統和電氣工程中根據負載要求處理電力轉換的器件。當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異特性正展露頭角,被認為是現代功率器件領域最富前景的制作材料之一。

據羅姆半導體(ROHM)預測,2025年全球 SiC 功率半導體市場規模有望達到 30 億美元,年復合增長率近30%。 據不完全統計,截至8月,2021年全國新落地第三代半導體產業項目(含產業園)已超過11個,近五年簽約項目中,SiC項目數量眾多,占比63%,且投資金額較大。9月17日,本土第三代半導體龍頭企業深圳基本半導體宣布完成C1輪融資,將發力深耕SiC功率器件的研發和產業化進程。

SiC功率器件優勢顯著

從材料本身來看,SiC的熱導率是Si的3倍,禁帶寬度是Si的3倍,臨界擊穿電場是Si的8倍,使得SiC功率半導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Si基器件的優勢如表1所示。 表1:Si器件 VS. SiC器件

由于SiC基器件在高溫下的運行穩定性,可大大節約系統和模塊成本,簡化冷卻散熱系統,顯著提高了電路的集成度。同時,高開關頻率和高轉換效率可減少能量損耗,縮小產品體積,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率大于96.0%。

據ROHM介紹,對于一款5kW的DC/DC 轉換器,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%。化合物半導體龍頭科銳(Cree)也展示了類似的數據:在相同電池條件下,搭載了SiC MOSFET的電動汽車比搭載Si基IGBT的電動汽車續航里程可提高約5%-10%。

02 SiC功率器件的分類和應用

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,具體如圖2所示。

,以SiC肖特基器件為例,SiC功率器件的應用可按電壓等級分為低電壓應用(<600V)、中電壓應用(600～1.7kV)和高電壓應用(1.7～10kV)。在低電壓領域,主要應用對象是功率因數校正器(PFC);在中電壓范圍,光伏逆變器、電動汽車/混合動力汽車、不間斷電源(UPS)及電動機控制器是主力軍;在高電壓領域,船艦驅動、智能電網、風力發電機功率轉換器和機車牽引正受到關注。

目前幾乎所有的Si基功率半導體龍頭都或多或少地在布局SiC功率市場。據統計,目前Cree、英飛凌(Infineon)、ROHM、意法半導體(ST)和三菱電機合計約占90%的SiC功率器件市場份額。

SiC功率二極管

截至2020年底,全球已有超20家具有量產SiC二極管產品能力的公司,擊穿電壓主要分布在600V～3.3kV。根據Mouser統計,2020年共有800款在售SiC SBD產品,中高壓應用對象數量逐年增長。

SiC功率晶體管

近年來國際半導體企業均在積極研發并推出全新的SiC MOSFET,2020年約10家廠商具備量產能力,共推出211款SiC MOSFET產品,擊穿電壓集中在650V和1.2kV。 表2:2020年國際半導體企業新發SiC MOSFET產品

國際典型廠商有安森美(OnSemi)、Infineon、Cree/Wolfspeed、三菱電機、富士電機、ROHM和Semikron等,產品正逐步從混合模塊(Si基IGBT和SiC基SBD)向全SiC模塊過渡。三菱電機和ROHM均生產使用SiC開關和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,應用目標為太陽能逆變器,可有效解決在高功率下對高系統效率的需求。

我國SiC功率器件商業化進展

在國內,現階段實現商業化的SiC功率器件產品以SiC二極管和SiC MOSFET為主,代表企業包括泰科天潤、三安集成、華潤微、中車時代、基本半導體,產品電壓集中在650V～1.7kV,高壓器件仍處于樣品研發階段。此外,SiC SBD產業化剛剛起步,SiC IGBT尚在研發。

SiC功率模塊方面,比亞迪車規級產品已上車使用,此外斯達半導體、瞻芯電子、基本半導體、世紀金光、士蘭微等企業也在積極布局,加快推進研發及擴產。

(關鍵字：半導體)