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功率器件的新欢与旧爱：SiC MOSFET与Si IGBT

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-04-02 10:03 阅读：11705

现代功率半导体技术飞速发展至今，硅基功率半导体器件性能已逼近其材料极限。Si IGBT作为主流的硅基功率开关器件，其具有低导通损耗及低成本的优势，但高开关损耗限制了其在高开关频率、高功率密度变换器中的应用。作为世界公认能替代硅的下一代半导体材料，碳化硅材料具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和漂移速率高和热导率高等优点，更适用于高温和高压大功率领域。其中最具代表性的SiC MOSFET器件具有极低的导通电阻、更快的开关速度、更低的开关损耗和更高的击穿电压，SiC MOSFET能显著提升电力电子变换器效率和功率密度，使电能变换器更容易实现小型化、轻量化，且更耐高温高压，其在新能源和混合动力汽车应用中具有广泛的应用前景。

SiC MOSFET与Si IGBT在新能源汽车上的应用（来源：比亚迪）

旧爱：Si IGBT

自晶闸管和功率晶体管问世和应用以来，随着Si基器件不断地完善和改进，相继出现了电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等电力电子器件。相比其他Si基功率器件，Si IGBT是由BJT和MOSFET两种结构组成的复合全控型电压驱动式功率器件，该功率器件不但具备电流容量大、导通压降低以及成本较低等优势，同时其驱动功率小且驱动控制电路简单。因此，该功率器件已被广泛运用在不同变换器中。The Business Research Company的数据研究指出，全球Si IGBT市场规模将从2022年的72.7亿美元增长到2023年的84.2亿美元，CAGR为15.7%，到2027年将增长至152.7亿美元，CAGR为16.0%。从Si IGBT上游生产企业来看，目前全球有接近70%的Si IGBT市场被英飞凌、三菱电机、富士电机、ABB、安森美等国外公司占领。虽然国内一些公司如株洲中车时代电气、比亚迪、中芯国际、吉林华微等的Si IGBT市场占有量虽在逐年增长，但和这些外国公司相比仍然存在一定差距。从Si IGBT下游应用领域来看，新能源汽车、消费电子和工业控制合计占比78%，三大行业占比分别为31%、27%和20%。其中，尤其是新能源汽车是推动Si IGBT市场高速增长的最主要动力。然而，近年来受限于Si材料特性所决定的性能理论极限，Si IGBT的发展已遇瓶颈：①受拖尾电流影响，开关速度受限。虽然Si IGBT内部结构在不断优化，使其开关速度得到有效提高，但由于该功率器件关断时拖尾电流的影响，其关断速度的提高仍然有限，这意味着Si IGBT关断损耗无法有效减小。②在大功率范围内，导通电阻变化大。由于Si IGBT正向导通时具有与PN结导通时类似的特性，因此该功率器件无法在很宽的功率范围内保持低导通电阻，特别是在功率等级较低时，Si IGBT的导通损耗较大。③受器件结温影响，导通电阻变化大。由于Si IGBT具有正温度系数特性，使得其内部导通电阻随着结温增加而增大，因此该功率器件在较高结温下运行时，损耗较大。综上所述，Si IGBT较低开关速度和较高功率损耗问题限制了逆变器中无源滤波器以及散热器的进一步缩小，从而使得该装置难以满足更高效率和功率密度的应用需求。尤其是新能源汽车领域，传统Si IGBT芯片在高压快充车型中已经达到了材料的物理极限，所以新能源汽车开始纷纷拥抱SiC。

新欢：SiC MOSFET

与Si IGBT相比，SiC MOSFET的优势有：①更高的热导率，散热更容易，使SiC MOSFET相比Si IGBT具有更高的工作温度特性，即在高温运行时稳定性得到明显提升。②更高的电子饱和速度，使SiC MOSFET在较大结温变化和功率变化范围内的导通电阻均较低，故该功率器件导通损耗低。③更高的电子迁移率，使SiC MOSFET具有更快的开关速度，因此该功率器件的工作频率可以更高。④更宽的禁带宽度使SiC MOSFET具有更高的耐压能力。

SiC和Si材料基本性能对比（来源：陈明文等，《新能源汽车功率器件损耗特性和效率分析》）基于以上优点，并随着碳化硅器件制造工艺的不断提升，SiC MOSFET的价格已有显著下降，因此SiC MOSFET已逐渐被推广到光伏逆变、电动汽车、供电电源、基站通信、轨道交通等应用领域。据TrendForce研究统计，SiC功率元件的前两大应用为电动汽车与再生能源领域，在2022年分别已达到10.9亿美元及2.1亿美元，占整体SiC功率元件市场产值约67.4%和13.1%。随着安森美、英飞凌等与汽车、能源业者合作项目明朗化，将推动2023年整体SiC功率元件市场产值达22.8亿美元，年成长41.4%。至2026年SiC功率元件市场产值可望达53.3亿美元，主流应用仍倚重电动汽车及再生能源，电动汽车产值可达39.8亿美元、CAGR约38%；再生能源达4.1亿美元、CAGR约19%。

旧爱不可弃，新欢犹可为

一边是光鲜亮丽的新欢，一边是日益无力的旧爱，是否意味着SiC MOSFET要完全替代Si IGBT了呢？实则不然。现阶段SiC MOSFET仍然存在一些问题，不仅导致其无法有效撼动Si IGBT作为功率器件的旧爱地位，同时也限制了SiC MOSFET大规模产业化推广和应用。①受SiC材料缺陷密度高、SiC器件设计和工艺成熟度、产品良率和可靠性较低等问题限制，单芯片SiC MOSFET的额定电流远小于单芯片Si IGBT的额定电流，这限制了SiC MOSFET向更高功率等级发展。目前，罗姆半导体集团的商用1200V SiC MOSFET（SCT3022KLHR）分立器件的最大载流能力为95A，商用650V SiC MOSFET（SCT3017AL）分立器件的最大载流能力为118A；科锐公司的商用1200V SiC MOSFET（C3M0016120D）分立器件的最大载流能力为115A，商用650V SiC MOSFET（C3M0015065D）分立器件的最大载流能力为120A；英飞凌公司的商用1200V Si IGBT（IKY75N120CH3）分立器件的最大载流能力可达150A，650V Si IGBT（IGZ100N65H5）分立器件的最大载流能力可达161A。实际上，两种类型功率模块的载流能力差距更大，Si IGBT模块载流能力超过SiC MOSFET模块载流能力的5倍以上。②SiC MOSFET长时间运行的可靠性仍要差于Si IGBT，这限制了该功率器件在高可靠电能变换领域中的应用。相比Si IGBT，SiC MOSFET主要体现在短路能力和栅氧在高温强电场下的可靠性不足。③受高昂SiC材料成本、复杂器件制作工艺以及较低产品良品率等因素的影响，SiC MOSFET的成本与同类Si IGBT分立器件相比仍然有较大差距，这阻碍了SiC器件大规模的产业化推广。SiC MOSFET分立器件的单价是Si IGBT分立器件成本的3~15倍，且随着载流能力的提升，价格差距也越来越大。

SiC MOSFET和Si IGBT成本对比（来源：彭子舜，《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的开关控制策略及其应用研究》）④SiC MOSFET的开关速度更快，这意味着该功率器件将在开关过程中产生更高的dv/dt和di/dt，从而产生更严重的传导EMI噪声而威胁变换器性能及可靠性。因此，采用SiC MOSFET将对变换器EMI噪声的抑制提出更高要求。综合上述特点来看，SiC MOSFET并不适用于一些低成本、低功率的应用场景。因此想要完全替代成本优势明显的Si IGBT有很大的难度。此外，伴随着封装技术的进步，Si IGBT器件的性能和功率密度越来越高。同时，针对不同应用而开发的产品，可以做一些特别的优化处理，从而提高Si器件在系统中的表现，从而进一步提高系统性能和性价比。

参考资料：

1、李宗鉴等，《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件及其应用研究》2、陈明文等，《新能源汽车功率器件损耗特性和效率分析》3、彭子舜，《Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的开关控制策略及其应用研究》4、半导体行业观察，《打不死的IGBT！》

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第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会

在半导体芯片设备中，精密陶瓷零部件的成本约占10％左右，当前市场基本被美国、日本等发达国家垄断。如何实现光刻机等半导体设备中先进陶瓷部件的国产化，解决当前芯片行业“卡脖子”问题的重要一环，也是国内先进陶瓷企业面临的巨大机遇与挑战。同时，随着新能源汽车、5G、人工智能、物联网等行业的蓬勃发展，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料产业规模不断扩大，先进陶瓷在半导体行业将迎来更大的应用市场。在此背景下，第二届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会将在江苏苏州举办，旨在为半导体和先进陶瓷行业搭建沟通平台，交流先进技术，互通行业信息，促进产业链合作，推动国产替代进程。会议热诚欢迎行业专家、学者、技术人员、企业界代表出席，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。

会务组

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