深度解析SiC功率器件及其应用（上）

来源：第三代半导体联合创新孵化中心（ID：casazlkj )

2019年以来，我国发展面临世界经济增长低迷、国际经贸摩擦加剧、国内经济下行压力加大等诸多挑战，但是以SiC为代表的第三代半导体已成为集成电路产业发展重心，成长动能显著。发展SiC产业，是支撑“新基建”5G基建、特高压、城际高速铁路和城际轨道交通、新能源汽车充电桩等领域的关键核心器件。

SiC是具有成本效益的大功率高温半导体器件，是应用于微电子技术的基本元件。

相对于传统的Si材料，SiC材料具有高禁带宽度、高热导率、高电子迁移速率等材料优势，使得SiC器件具有高击穿电压、高开关频率、高工作温度以及高功率密度等性能优势。

SiC产品应用领域包括光伏、电网、电源、新能源汽车、家用电器等，在部分领域开始逐步取代Si基电力电子器件，市场潜力巨大。

SiC——功率器件的理想材料

SiC是由硅和碳组成的化合物半导体材料，在热、化学、机械方面都非常稳定。C原子和Si原子不同的结合方式使SiC拥有多种晶格结构，如4H、6H、3C等等。4H-SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，常被用来做功率器件。

▼三种不同的SiC结构

SiC器件相对于Si器件的优势主要来自三个方面：降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、更耐高温高压。

• 降低能量损耗

SiC材料开关损耗极低，全SiC功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于IGBT模块不擅长的高速开关工作，全SiC功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

• 低阻值使得更易实现小型化

SiC材料具备更低的通态电阻，阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。

• 更耐高温

SiC的禁带宽度3.23ev，相应的本征温度可高达800摄氏度，承受的温度相对Si更高；SiC材料拥有3.7W/cm/K的热导率，而硅材料的热导率仅有1.5W/cm/K，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

▼SiC能大大降低功率转换中的开关损耗

▼SiC更容易实现模块的小型化、更耐高温

SiC功率器件

从器件类型上看，主要的功率半导体器件主要包括：二极管、PIN二极管、双极性晶体管、晶闸管、MOSFET、IGBT等，其中二极管、MOSFET和IGBT是应用最广泛及性能指标先进的功率器件之一。

▼功率半导体主要应用领域

SiC功率器件的研发始于1970年代，80年代SiC晶体质量和制造工艺获得大幅改进，随着90年代高品质6H-SiC和4H-SiC外延层生长技术的成功应用，各种SiC功率器件的研究和开发进入迅速发展时期。

▼SiC功率器件的发展历史

在发展SiC功率半导体器件过程中，首先推出的是SiC肖特基二极管（SiCSBD）。

2001年Infineon公司推出300V-600V（16A）产品，接着CREE在2002年推出600V-1200V（20A）的产品，它们主要用在开关电源控制及马达控制中，随后ST、Rohm、Fairchild、TOSHIBA等厂商纷纷推出相应产品。

目前SiC SBD主要有电压为600V、650V、900V、1200V、1700V和3300V等产品。

SiCJFET和SiCMOSFET分别在2006年和2011年面世，目前MOSFET主要有电压为400V、650V、900V、1000V、1200V和1700V等产品。

观察各厂商业务结构，一个大的趋势是各SiC器件厂商都发展其SiC模组业务。

▼SiC功率器件分类及相应优势

• SiC二极管器件

二极管是最简单的功率器件，由P极和N极形成PN结结构，电流只能从P极流向N极。二极管由电流驱动，无法自主控制通断，电流单向只能通过。

二极管的作用有整流电路、检波电路、稳压电路和各种调制电路。

二极管承受的电压和电流较低（锗管导通电压为0.3V，硅管为0.7V），电流一般不超过几十毫安，电压和电流过高会导致二极管被击穿。

常见的二极管有肖特基二极管、快恢复二极管、TVS二极管等。

SiC功率二极管可显著降低由反向恢复作用导致的自身损耗以及反并联可控功率半导体的开通损耗，在开关频率较高的应用中具有明显优势。

SiC二极管是最早进入市场的SiC功率器件产品，量产产品击穿电压600V~1700V，导通电流50A以上。

2001年，德国Infineon公司率先推出SiC二极管产品。经过20年的发展，已经有20余家企业量产SiC肖特基二极管产品。

国外以Cree和Infineon为代表，其SiC肖特基二极管产品已经发展到第六代。

国际上有700款SiCSBD产品在售，ROHM、Infineon、Cree和ST四家企业推出的产品种类占比高达53%。

国内已经实现600V~1700VSiC二极管产品的批量销售，代表企业为中国电科55所、泰科天润、北京世纪金光、北京国联万众等。

▼北京国联万众半导体科技有限公司SiC肖特基二极管选型表（2020）

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• SiC MOSFET器件

MOSFET由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。金属栅极与N极、P极之间有一层二氧化硅绝缘层，电阻非常高。不断增加G与S间的电压至一定程度，绝缘层电阻减小，形成导电沟道，从而控制漏极电流。

因此MOSFET是通过电压来控制导通，在G与S间施加一定电压即可导通，不施加电压则关断，器件通断完全可控。

MOSFET的优点是开关速度很高，通常在几十纳秒至几百纳秒，开关损耗很小，通常用于开关电源，缺点是在高压环境下压降很高，随着电压上升电阻变大，传导损耗很高。MOSFET的导通与阻断都由电压控制，电流可以双向通过。

▼MOSFET结构图

MOSFET是功率器件最大市场。MOSFET在功率器件中占比最高，2018年全球MOSFET市场规模为59.61亿美元，占功率器件市场的39.78%。

MOSFET的优点在于稳定性好，适用于AC/DC开关电源、DC/DC转换器，因此MOSFET通常用于计算机、消费电子、汽车和工业等领域。

Yole预测到2022年MOSFET下游应用中，汽车占比为22%，计算机及存储占比为19%，工业占比为14%。

▼2022年MOSFET终端应用占比

SiC MOSFET高温与常温下导通损耗与关断损耗均很小，驱动电路简单，有利于电路节能和散热设备的小型化，市场上量产的产品主要分平面MOS和沟槽MOS两类。

国际上有10余家企业量产SiCMOSFET产品，击穿电压650V~1700V，导通电流超过100A。

代表企业为Cree和ROHM，其SiC MOSFET产品已经发展到第三代。

目前市场上共推出180余款SiCMOSFET系列产品，Cree和ROHM两家共推出78款产品，占比43%。国内SiC MOSFET器件方面还处于产业推广的一个起步阶段，产品的技术成熟度还有待提升，产品的市场份额占有率仍需要大幅的提升。

目前，中国电科55所、泰科天润、世纪金光、基本半导体、北京国联万众等企业已经推出产品，击穿电压集中在1200V。

• SiC JFET器件

SiC JFET是最早实现产业化的功率开关器件。与MOSFET、IGBT等器件相比，单极性JFET具备良好的高频特性、高温稳定性及栅极可靠性。

但是，SiC JFET器件门极使用PN结控制，无法与目前基于MOS结构（如MOSFET和IGBT）的器件驱动电路兼容，在应用和控制上较为复杂，限制了其广泛应用。

业内生产SiC JFET的企业较少，Mouser上只有UnitedSiC在销售SiCJFET产品，耐压为650V和1200V两种，最大电流63A。

• SiC IGBT器件

绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半导体。

IGBT兼具MOS和BJT的优点，导通原理与MOSFET类似，都是通过电压驱动进行导通。IGBT在克服了MOSFET缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点，在高压环境下传导损耗较小。

IGBT是电机驱动的核心，广泛应用与逆变器、变频器等，在UPS、开关电源、电车、交流电机等领域，逐步替代GTO、GTR等产品。

IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上，电流10A以上，频率1KHz以上的区域。IGBT固有结构导致其作为高频开关时损耗较大，IGBT工作频率通常为40-50KHz。

IGBT的导通与阻断都受电压控制，可以双向导通。

▼IGBT结构图

IGBT应用：IGBT的应用领域非常广泛，小到家电、数码产品，大到航空航天、高铁等领域，新能源汽车、智能电网等新兴应用也会大量使用IGBT。

按电压需求分类，消费类电子应用的IGBT电压通常在600V以下，太阳能逆变器需要1200V的低损耗IGBT，动车使用的IGBT电压在1700V至6500V之间，智能电网应用的IGBT通常为3300V。

▼IGBT主要应用领域

SiC IGBT作为一种双极器件，电导调制效应的存在大大降低了导通电阻，使得在阻断电压增大时，导通电阻只增加很小的一点。

这个优势使得SiCIGBT可以很好的工作在高压大功率领域。SiCIGBT的研发工作起步较晚，目前虽正逐步解决上述问题，但产品尚未实现产业化。

• SiC功率模块

SiC功率模块可分为混合SiC功率模块和全SiC功率模块，其中，混合SiC功率模块用SiCSBD替换SiFRD，可显著提高工作频率，与同等额定电流的SiIGBT模块产品相比，开关损耗大幅度降低。

全SiC模块采用了SiCSBD与SiCMOSFET一体化封装，解决了SiIGBT及FRD导致的功率转换损耗较大问题，在高频范围中推动了外围部件小型化的发展。

SiC功率器件的应用

SiC功率器件应用领域可以按电压划分：低压应用（600V至1.2kV）：高端消费领域（如游戏控制台、等离子和液晶电视等）、商业应用领域（如笔记本电脑、固态照明、电子镇流器等）以及其他领域（如医疗、电信、国防等）中压应用（1.2kV至1.7kV）：电动汽车/混合电动汽车（EV/HEV）、太阳能光伏逆变器、不间断电源（UPS）以及工业电机驱动（交流驱动ACDrive）等。高压应用（2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上）：风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。

目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kW-500kW之间、工作频率在10KHz~100MHz之间的场景，特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如新能源汽车、光伏微型逆变器、电力牵引、智能电网、工业及商业电源等领域，可取代部分硅基MOSFET与IGBT。

▼SiC应用领域及其市场空间（百万美元）

▌ 5G基建——通信电源

通信电源是服务器、基站通讯的能源库，为各种传输设备提供电能，保证通讯系统正常运行。

SiC MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，电源整体效率更高；SiC 肖特基二极管反向恢复几乎为零的特性使其在许多PFC电路中具有广阔的应用前景。

例如，在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中，使用650V/10A SiC肖特基二极管，可以帮助客户实现满载效率大于等于95%的高技术要求。