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2022年碳化硅电力电子器件发展现状分析

在过去的十五到二十年中，碳化硅电力电子器件领域取得了令

人瞩目的成就，所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，

并且胜利实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开

头逐步取代硅基电力电子器件，并初步呈现出其巨大的潜力。碳化硅

电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的进展起到革命性

的推动作用。随着SiC单晶和外延材料技术的进步，各种类型的SiC

器件被开发出来。SiC器件主要包括二极管和开关管。SiC二极管主

要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和PiN型二极管。SiC开关管

的种类较多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管

（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、绝缘栅双极开关管（IGBT）

三种。

SiC电力电子器件中，SiC二极管最先实现产业化。2022年德

国Infineon公司领先推出SiC二极管产品，美国Cree和意法半导体

等厂商也紧随其后推出了SiC二极管产品。在日本，罗姆、新日本无

线及瑞萨电子等投产了SiC二极管。许多企业在开发肖特基势垒二极

管（SBD）和JBS结构二极管。目前，SiC二极管已经存在600V~1700V

电压等级和50A电流等级的产品。

参看发布的《2022-2022年中国电力电子器件行业运营态势与

投资潜力讨论报告》

SiC肖特基二极管能供应近乎抱负的动态性能。做为单子器件，

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它的工作过程中没有电荷储存，因此它的反向恢复电流仅由它的耗尽

层结电容造成，其反向恢复电荷以及其反向恢复损耗比Si超快恢复

二极管要低一到两个数量级。更重要的是，和它匹配的开关管的开通

损耗也可以得到大幅度削减，因此提高电路的开关频率。另外，它几

乎没有正向恢复电压，因而能够马上导通，不存在双极型器件的开通

延时现象。在常温下，其正态导通压降和Si超快恢复器件基本相同，

但是由于SiC肖特基二极管的导通电阻具有正温度系数，这将有利于

将多个SiC肖特基二极管并联。在二极管单芯片面积和电流受限的状

况下，这可以大幅度提高SiC肖特基二极管的容量，使它在较大容量

中的应用成为可能。目前试验室报道的最大容量的SiC二极管已经达

到了6500V/1000A的水平。由于SiC开关管的进展相对二极管滞后，

当前更普遍的做法是将SiC二极管和SiIGBT和MOSFET器件封装在一

个模块中以形成大功率开关组合。目前Cree公司、Microsemi公司、

Infineon公司、Rohm公司的SiC肖特基二极管用于变频或逆变装置

中替换硅基快恢复二极管，显著提高了工作频率和整机效率。中低压

SiC肖特基二极管目前已经在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器领

域上产生较大的影响。

SiC肖特基二极管的进展方向是衬底减薄技术和TrenchJBS结

构。衬底减薄技术能够有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻，

增加器件浪涌电流力量，减小器件热阻。Infineon公司于2022年9

月发布第五代SiCSBD产品，首次采纳衬底减薄技术。在SiC晶格里，

JBS结构中离子注入p阱的深度受到限制（《1um），反偏条件下浅

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p-n结对肖特基结的屏蔽作用不是特殊明显，只有在相邻p阱之间的

间距较小时才能突显出来，但同时带来的正向导通沟道宽度变窄效应

使得正向导通压降显著增加。为了解决这一问题，新一代SiC肖特基

二极管的进展方向是TrenchJBS结构。Cree公司新一代SiC肖特基

二极管同时采纳TrenchJBS结构和衬底减薄技术，与传统的JBS二极

管相比，正反向特性都得到了改善，不仅增加了电流密度（芯片面积

减小50%）;也提高了阻断电压（提高150V）和雪崩力量。

碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特点，是

目前进展较快的碳化硅器件之一，并且领先实现了商业化。与MOSFE