現(xiàn)代功率半導(dǎo)體技術(shù)飛速發(fā)展至今，硅基功率半導(dǎo)體器件性能已逼近其材料極限。Si IGBT作為主流的硅基功率開(kāi)關(guān)器件，其具有低導(dǎo)通損耗及低成本的優(yōu)勢(shì)，但高開(kāi)關(guān)損耗限制了其在高開(kāi)關(guān)頻率、高功率密度變換器中的應(yīng)用。作為世界公認(rèn)能替代硅的下一代半導(dǎo)體材料，碳化硅材料具有禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、飽和漂移速率高和熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，更適用于高溫和高壓大功率領(lǐng)域。其中最具代表性的SiC MOSFET器件具有極低的導(dǎo)通電阻、更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的擊穿電壓，SiC MOSFET能顯著提升電力電子變換器效率和功率密度，使電能變換器更容易實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，且更耐高溫高壓，其在新能源和混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。
SiC MOSFET與Si IGBT在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用（來(lái)源：比亞迪）
舊愛(ài)：Si IGBT
自晶閘管和功率晶體管問(wèn)世和應(yīng)用以來(lái)，隨著Si基器件不斷地完善和改進(jìn)，相繼出現(xiàn)了電力晶體管（GTR）、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等電力電子器件。相比其他Si基功率器件，Si IGBT是由BJT和MOSFET兩種結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率器件，該功率器件不但具備電流容量大、導(dǎo)通壓降低以及成本較低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)控制電路簡(jiǎn)單。因此，該功率器件已被廣泛運(yùn)用在不同變換器中。
The Business Research Company的數(shù)據(jù)研究指出，全球Si IGBT市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的72.7億美元增長(zhǎng)到2023年的84.2億美元，CAGR為15.7%，到2027年將增長(zhǎng)至152.7億美元，CAGR為16.0%。
從Si IGBT上游生產(chǎn)企業(yè)來(lái)看，目前全球有接近70%的Si IGBT市場(chǎng)被英飛凌、三菱電機(jī)、富士電機(jī)、ABB、安森美等國(guó)外公司占領(lǐng)。雖然國(guó)內(nèi)一些公司如株洲中車(chē)時(shí)代電氣、比亞迪、中芯國(guó)際、吉林華微等的Si IGBT市場(chǎng)占有量雖在逐年增長(zhǎng)，但和這些外國(guó)公司相比仍然存在一定差距。
從Si IGBT下游應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，新能源汽車(chē)、消費(fèi)電子和工業(yè)控制合計(jì)占比78%，三大行業(yè)占比分別為31%、27%和20%。其中，尤其是新能源汽車(chē)是推動(dòng)Si IGBT市場(chǎng)高速增長(zhǎng)的最主要?jiǎng)恿Α?/span>
然而，近年來(lái)受限于Si材料特性所決定的性能理論極限，Si IGBT的發(fā)展已遇瓶頸：
①受拖尾電流影響，開(kāi)關(guān)速度受限。雖然Si IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)在不斷優(yōu)化，使其開(kāi)關(guān)速度得到有效提高，但由于該功率器件關(guān)斷時(shí)拖尾電流的影響，其關(guān)斷速度的提高仍然有限，這意味著Si IGBT關(guān)斷損耗無(wú)法有效減小。
②在大功率范圍內(nèi)，導(dǎo)通電阻變化大。由于Si IGBT正向?qū)〞r(shí)具有與PN結(jié)導(dǎo)通時(shí)類(lèi)似的特性，因此該功率器件無(wú)法在很寬的功率范圍內(nèi)保持低導(dǎo)通電阻，特別是在功率等級(jí)較低時(shí)，Si IGBT的導(dǎo)通損耗較大。
③受器件結(jié)溫影響，導(dǎo)通電阻變化大。由于Si IGBT具有正溫度系數(shù)特性，使得其內(nèi)部導(dǎo)通電阻隨著結(jié)溫增加而增大，因此該功率器件在較高結(jié)溫下運(yùn)行時(shí)，損耗較大。
綜上所述，Si IGBT較低開(kāi)關(guān)速度和較高功率損耗問(wèn)題限制了逆變器中無(wú)源濾波器以及散熱器的進(jìn)一步縮小，從而使得該裝置難以滿足更高效率和功率密度的應(yīng)用需求。尤其是新能源汽車(chē)領(lǐng)域，傳統(tǒng)Si IGBT芯片在高壓快充車(chē)型中已經(jīng)達(dá)到了材料的物理極限，所以新能源汽車(chē)開(kāi)始紛紛擁抱SiC。
新歡：SiC MOSFET
與Si IGBT相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)有：
①更高的熱導(dǎo)率，散熱更容易，使SiC MOSFET相比Si IGBT具有更高的工作溫度特性，即在高溫運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性得到明顯提升。
②更高的電子飽和速度，使SiC MOSFET在較大結(jié)溫變化和功率變化范圍內(nèi)的導(dǎo)通電阻均較低，故該功率器件導(dǎo)通損耗低。
③更高的電子遷移率，使SiC MOSFET具有更快的開(kāi)關(guān)速度，因此該功率器件的工作頻率可以更高。
④更寬的禁帶寬度使SiC MOSFET具有更高的耐壓能力。
SiC和Si材料基本性能對(duì)比（來(lái)源：陳明文等，《新能源汽車(chē)功率器件損耗特性和效率分析》）
基于以上優(yōu)點(diǎn)，并隨著碳化硅器件制造工藝的不斷提升，SiC MOSFET的價(jià)格已有顯著下降，因此SiC MOSFET已逐漸被推廣到光伏逆變、電動(dòng)汽車(chē)、供電電源、基站通信、軌道交通等應(yīng)用領(lǐng)域。
據(jù)TrendForce研究統(tǒng)計(jì)，SiC功率元件的前兩大應(yīng)用為電動(dòng)汽車(chē)與再生能源領(lǐng)域，在2022年分別已達(dá)到10.9億美元及2.1億美元，占整體SiC功率元件市場(chǎng)產(chǎn)值約67.4%和13.1%。隨著安森美、英飛凌等與汽車(chē)、能源業(yè)者合作項(xiàng)目明朗化，將推動(dòng)2023年整體SiC功率元件市場(chǎng)產(chǎn)值達(dá)22.8億美元，年成長(zhǎng)41.4%。至2026年SiC功率元件市場(chǎng)產(chǎn)值可望達(dá)53.3億美元，主流應(yīng)用仍倚重電動(dòng)汽車(chē)及再生能源，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)值可達(dá)39.8億美元、CAGR約38%；再生能源達(dá)4.1億美元、CAGR約19%。
舊愛(ài)不可棄，新歡猶可為
一邊是光鮮亮麗的新歡，一邊是日益無(wú)力的舊愛(ài)，是否意味著SiC MOSFET要完全替代Si IGBT了呢？實(shí)則不然。現(xiàn)階段SiC MOSFET仍然存在一些問(wèn)題，不僅導(dǎo)致其無(wú)法有效撼動(dòng)Si IGBT作為功率器件的舊愛(ài)地位，同時(shí)也限制了SiC MOSFET大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用。
①受SiC材料缺陷密度高、SiC器件設(shè)計(jì)和工藝成熟度、產(chǎn)品良率和可靠性較低等問(wèn)題限制，單芯片SiC MOSFET的額定電流遠(yuǎn)小于單芯片Si IGBT的額定電流，這限制了SiC MOSFET向更高功率等級(jí)發(fā)展。目前，羅姆半導(dǎo)體集團(tuán)的商用1200V SiC MOSFET（SCT3022KLHR）分立器件的最大載流能力為95A，商用650V SiC MOSFET（SCT3017AL）分立器件的最大載流能力為118A；科銳公司的商用1200V SiC MOSFET（C3M0016120D）分立器件的最大載流能力為115A，商用650V SiC MOSFET（C3M0015065D）分立器件的最大載流能力為120A；英飛凌公司的商用1200V Si IGBT（IKY75N120CH3）分立器件的最大載流能力可達(dá)150A，650V Si IGBT（IGZ100N65H5）分立器件的最大載流能力可達(dá)161A。實(shí)際上，兩種類(lèi)型功率模塊的載流能力差距更大，Si IGBT模塊載流能力超過(guò)SiC MOSFET模塊載流能力的5倍以上。
②SiC MOSFET長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可靠性仍要差于Si IGBT，這限制了該功率器件在高可靠電能變換領(lǐng)域中的應(yīng)用。相比Si IGBT，SiC MOSFET主要體現(xiàn)在短路能力和柵氧在高溫強(qiáng)電場(chǎng)下的可靠性不足。
③受高昂SiC材料成本、復(fù)雜器件制作工藝以及較低產(chǎn)品良品率等因素的影響，SiC MOSFET的成本與同類(lèi)Si IGBT分立器件相比仍然有較大差距，這阻礙了SiC器件大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化推廣。SiC MOSFET分立器件的單價(jià)是Si IGBT分立器件成本的3-15倍，且隨著載流能力的提升，價(jià)格差距也越來(lái)越大。
SiC MOSFET和Si IGBT成本對(duì)比（來(lái)源：彭子舜，《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的開(kāi)關(guān)控制策略及其應(yīng)用研究》）
④SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度更快，這意味著該功率器件將在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生更高的dv/dt和di/dt，從而產(chǎn)生更嚴(yán)重的傳導(dǎo)EMI噪聲而威脅變換器性能及可靠性。因此，采用SiC MOSFET將對(duì)變換器EMI噪聲的抑制提出更高要求。
綜合上述特點(diǎn)來(lái)看，SiC MOSFET并不適用于一些低成本、低功率的應(yīng)用場(chǎng)景。因此想要完全替代成本優(yōu)勢(shì)明顯的Si IGBT有很大的難度。此外，伴隨著封裝技術(shù)的進(jìn)步，Si IGBT器件的性能和功率密度越來(lái)越高。同時(shí)，針對(duì)不同應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高Si器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能和性?xún)r(jià)比。
來(lái)源：粉體網(wǎng)