中國粉體網(wǎng)訊 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關(guān)器件，其具有低導(dǎo)通損耗及低成本的優(yōu)勢，但高開關(guān)損耗限制了其在高開關(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、更快的開關(guān)速度、更低的開關(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力汽車應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。
SiC MOSFET與Si IGBT在新能源汽車上的應(yīng)用（來源：比亞迪）
舊愛：Si IGBT
自晶閘管和功率晶體管問世和應(yīng)用以來，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）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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，同時其驅(qū)動功率小且驅(qū)動控制電路簡單。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市場規(guī)模將從2022年的72.7億美元增長到2023年的84.2億美元，CAGR為15.7%，到2027年將增長至152.7億美元，CAGR為16.0%。
從Si IGBT上游生產(chǎn)企業(yè)來看，目前全球有接近70%的Si IGBT市場被英飛凌、三菱電機(jī)、富士電機(jī)、ABB、安森美等國外公司占領(lǐng)。雖然國內(nèi)一些公司如株洲中車時代電氣、比亞迪、中芯國際、吉林華微等的Si IGBT市場占有量雖在逐年增長，但和這些外國公司相比仍然存在一定差距。
從Si IGBT下游應(yīng)用領(lǐng)域來看，新能源汽車、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，尤其是新能源汽車是推動Si IGBT市場高速增長的最主要動力。
然而，近年來受限于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，使其開關(guān)速度得到有效提高，但由于該功率器件關(guān)斷時拖尾電流的影響，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具有與PN結(jié)導(dǎo)通時類似的特性，因此該功率器件無法在很寬的功率范圍內(nèi)保持低導(dǎo)通電阻，特別是在功率等級較低時，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，損耗較大。
綜上所述，Si IGBT較低開關(guān)速度和較高功率損耗問題限制了逆變器中無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。尤其是新能源汽車領(lǐng)域，傳統(tǒng)Si IGBT芯片在高壓快充車型中已經(jīng)達(dá)到了材料的物理極限，所以新能源汽車開始紛紛擁抱SiC。
新歡：SiC MOSFET
與Si IGBT相比，SiC MOSFET的優(yōu)勢有：
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材料基本性能對比（來源：陳明文等，《新能源汽車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、電動汽車、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)用為電動汽車與再生能源領(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功率元件市場產(chǎn)值約67.4%和13.1%。隨著安森美、英飛凌等與汽車、能源業(yè)者合作項(xiàng)目明朗化，將推動2023年整體SiC功率元件市場產(chǎn)值達(dá)22.8億美元，年成長41.4%。至2026年SiC功率元件市場產(chǎn)值可望達(dá)53.3億美元，主流應(yīng)用仍倚重電動汽車及再生能源，電動汽車產(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%。
舊愛不可棄，新歡猶可為
一邊是光鮮亮麗的新歡，一邊是日益無力的舊愛，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仍然存在一些問題，不僅導(dǎo)致其無法有效撼動Si IGBT作為功率器件的舊愛地位，同時也限制了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，兩種類型功率模塊的載流能力差距更大，Si IGBT模塊載流能力超過SiC MOSFET模塊載流能力的5倍以上。
②SiC MOSFET長時間運(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)格差距也越來越大。
SiC MOSFET和Si IGBT成本對比（來源：彭子舜，《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的開關(guān)控制策略及其應(yīng)用研究》）
④SiC MOSFET的開關(guān)速度更快，這意味著該功率器件將在開關(guān)過程中產(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將對變換器EMI噪聲的抑制提出更高要求。
綜合上述特點(diǎn)來看，SiC MOSFET并不適用于一些低成本、低功率的應(yīng)用場景。因此想要完全替代成本優(yōu)勢明顯的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越高。同時，針對不同應(yīng)用而開發(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)性能和性價(jià)比。
參考資料：
1、李宗鑒等，《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其應(yīng)用研究》
2、陳明文等，《新能源汽車功率器件損耗特性和效率分析》
3、彭子舜，《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的開關(guān)控制策略及其應(yīng)用研究》
4、半導(dǎo)體行業(yè)觀察，《打不死的IGBT！》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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