SiC（碳化硅）为人们熟知还要感谢电动汽车率先打响了搭载的第一枪，特别是特斯拉，据说其平均每2辆电动车就需要一片6英寸SiC晶圆；SiC器件市占率高达6成的科锐（Cree）产能几乎被它包了一半。

市场调研公司Yole Développement在《电动出行之功率电子2021》中指出：“在市场增长和设计机会方面，SiC已成为最具活力的技术之一。SiC正在渗透到汽车应用的新赛道。”Yole预计，这一市场在2023年之前仍可保持44％的增长速度。

电动汽车为什么热衷SiC？

本世纪初，SiC器件开始商业应用，20年里，已经从高端市场的专利演变为大众市场应用。随着越来越多公司对SiC器件感兴趣并持续投资，其发展势头与日俱增。作为硅的“年轻竞争者”，2020年SiC市场价值已超过6亿美元。

Yole功率电子技术与市场分析师Ana Villamor认为：“电动汽车基本上有三种转换器：主逆变器、DC－DC和OBC。由于功率水平较高，主逆变器是最大的市场，其功率开云棋牌官网在线客服含量最高。”

在功率开云棋牌官网在线客服市场，预计2026年SiC模块价值将比2020年翻一番。事实上，目前SiC模块成本仍是650V IGBT模块的3倍，但生产规模较大时，这种差异将会缩小，过渡到8英寸晶圆以及1200V器件的渗透，将有助于使用更高的电池电压，进一步提升效率。

正如Yole的团队在报告中所分析的那样，EV／HEV供应链继续受到需求和技术趋势增长的影响。为电动汽车提供领先开云棋牌官网在线客服的制造商，如英飞凌科技、三菱电机、意法开云棋牌官网在线客服、罗姆、日立、东芝、安森美、UnitedSiC、CISSOID等众多企业都推出了与汽车相关的最新SiC产品，正在为Tier 1、主机厂提供SiC功率模块，也包括分立器件。

这只是一个缩影

势头迅猛的电动出行对SiC的拉动只是一个缩影。清华大学电机工程与应用电子技术系教授赵争鸣认为：“人们之所以非常热衷于SiC，是因为它具有电力电子应用期待的三高特性：高频、高温、高压。但理论与现实差距还是有的，特别是当你真正使用这种器件时。”

他指出，功率器件就是一个开关，利用开关频率对电力进行采样，得到所需的波形，虽然频率越高越好，但高频会增加损耗。在高频应用方面，因为SiC器件大幅降低了损耗，频率才能提上去，给电力电子设备带来极大的好处。

有了SiC器件，就可以实现高频，大幅提升设备特性。正是由于这一特征，SiC最早是二极管，后来是SiC MOSFET，中间曾经有J－FET过渡产品，现在基本都是MOSFET，进一步发展将是IGBT。做成器件后，其显著特点是大电流、小通态电阻，为大电压、大功率应用带来了很大好处。

赵争鸣教授还表示，电力电子器件和微电子器件的最大区别是弱电控制强电。控制的功率越大，器件水平越高。其另一个特点是高电压，击穿场强可以高十倍，从而把耐压提上去。从原来80mΩ到16mΩ，差不多是5倍，1200V就可以通过650A电流；10kV可以做成SiC MOSFET，15kV可以做成SiC IGBT，22kV可以做成SiC BJT。

这么高功率的器件原来只能用晶闸管来做，IGBT做不到。SiC的初期一般是低电压、大电流，或者小电流、高电压，现在同时实现了高电压和大电流，如3．3kV，750A及10kV，240A SiC MOSFET，覆盖的电压和电流等级越来越大，并且还在发展中，所以今后大功率SiC将是主流，值得期待。

应用方面，由于SiC器件电压和电流越来越大，从UPS电源到电动汽车、全电飞机、高速电机等高压应用，以及新能源、高速铁路、舰船、中压配电网等大电流应用都已进入实用阶段。

三代SiC器件的迭代

在SiC器件和封装发展进程中，窥一斑即可知全豹。三菱电机开云棋牌官网在线客服大中国区应用技术经理马先奎讲述了这样的历程。

上世纪90年代初，三菱电机开始研发SiC产品；2010年，一些SiC器件已在各种各样产品中商业化；2015年后，除了开发新器件外，一直在做从小功率到大功率产品的拓展。

在SiC芯片技术方面，2015年已开发出第二代产品；2018年推出第二代平面栅6英寸产品，针对高压器件内嵌了SBD芯片，并着手开发第三代沟槽栅芯片。其产品性能不断提升，损耗不断降低，以满足更多应用领域的需求。

第二代SiC MOSFET芯片仍采用平面栅结构，特点首先是低通态损耗；还采用了JFET掺杂技术以及薄晶圆工艺。在导通电阻方面，通常JFET层和漂移层所占比重非常大，而随着器件额定电压升高，占比会越来越大。三菱电机通过JFET掺杂技术降低了JFET导通电阻，从而降低了器件损耗，还同步优化了器件的开关损耗。

到了第三代SiC芯片，三菱电机采用了沟槽栅结构，用多离子倾斜注入技术来形成MOSFET芯片。好处首先是栅氧场强降低了，芯片可靠性提升，加上之前的JFET掺杂技术降低了沟槽电阻，也优化了导通电阻。此外，工艺的提升并没有带来特殊要求，其可生产性保持不变或加强了。

高压SiC MOSFET晶圆则采用了另一个思路，内嵌SBD技术，实现了额定电压3300V、6500V的模块。其好处是，以前的产品需要在模块中封装MOSFET和SBD，现在用一个芯片实现，芯片面积小了很多。这样，就可以给客户带来成本方面的效益。

除了高压SiC MOSFET，三菱电机还在研发更高电压的芯片，如双极性器件、SiC IGBT，实际样品也通过了验证，耐压达到了13000V。

封装成了提升可靠性和性能的关键

封装是承载器件的载体，也是保证SiC芯片可靠性、充分发挥性能的关键。从封装技术发展看，首先是分立式SiC MOSFET器件，从最初的TO－247 3脚到TO－247 4脚，后来是采用开尔文连接的TO－263 7脚封装，杂散电感得到不断优化，特别是开尔文连接改善了驱动，降低了模块损耗，有助于提升SiC器件的性能。

SiC MOSFET模块面世后，也在利用模块封装不断降低杂散电感，以充分发挥SiC芯片性能；通过采用对称布局和层叠端子，实现了更大功率的模块；标准封装也在逐渐被市场接受，可满足各种多样化需求。

对SiC MOSFET模块来说，除了外形变化，更重要的是如何充分发挥器件性能，让应用更加简单、可靠。所推出的更高集成化的模块，例如从常规MOSFET模块到内置RTC的模块，甚至集成驱动和保护的IPM模块，功能不断提升，使SiC性能得以在用户的各种应用中体现。

封装技术的发展同时兼顾了充分发挥SiC芯片性能和实际应用易用性与可靠性要求，以多样化产品满足了市场的广泛需求。

分立式SiC器件依然故我

依然故我，却并非不思进取，一点也没有改变，这就是分立式SiC器件。三菱电机开云棋牌官网在线客服大中国区高级应用工程师赵瑞表示，分立式SiC器件仍然是PFC、DC－DC、OBC等应用中提升功率密度和效率不可或缺的器件，更何况SiC才刚刚开始导入各种应用呢？

谈到应用场景，赵瑞认为，分立式SiC器件，包括SiC二极管，广泛适用于各种充电应用系统，典型拓扑是一个整流加上PFC、双向DC－DC，以及PLC电路，其优势是减少电抗器、变压器和散热器尺寸。

三菱电机的N系列SiC MOSFET器件具有较低的镜像电容，实现了无误导通风险的宽短路安全工作区（SOA），且开关性能良好，开关损耗低；同时允许体二极管导通工作和栅极负偏置，可靠性高。N系列主要有1200V 80mΩ、40mΩ、22mΩ；封装有TO－247－3、TO－247－4、TO－267－7 3封装；每个型号都有工业版本和车规版本，满足AEC－Q101规格。

好处还不止这些，在系统中采用SiC MOSFET方案，可以进一步缩小体积，减少系统承载，降低系统成本，提高布局灵活度。

目前，三菱电机SiC器件采用第二代平面型芯片技术，以JFET掺杂降低JFET内阻，同时缩小了JFET宽度，使反向输出电容减小，在实现防误导通高鲁棒性的同时进一步减少了开关损耗。

为防止误导通风险，需要提高dV／dt（开关速度）下的输入电容（Ciss）与反向电容（Crss）的比值，对比显示，N系列比值很高，代表误导通能力很强。另外是门槛电压（VGSth）数值，N系列2．3V左右，但即使是在如此低的门槛电压下，在无误导通安全工作区，以及纵轴－5到－10V的门极关断电压（VGS＿off）内，N系列在开关速度达到120V／ns都没有误导通，而其他竞品工作区小些，开关速度在70、80V／ns左右，需要把关断门极电压调低一些。

同样，横轴是开关速度，纵轴则是开关损耗。很明显，开关速度越快，器件整体开关损耗越小。几个竞品相比，实线代表N系列可以实现的无误导通风险曲线，虚线表示如果速度加快，就可能有寄生导通风险。在整个横轴，N系列都是实线。

三菱电机分立器件的推荐栅源极电压是－5V到＋15V，其他友商绝大部分是0V到18V。SiC的门极有一个栅氧化层，存在门槛电压漂移的问题，尤其是在负压时，门槛电压漂高后，会导致损耗增加，整个温升就会增加，导致器件失效率上升。测试表明，通过使用负电压，＋15、－5V脉冲偏置条件下门槛电压都保持不变，充分发挥了SiC开关速度快的能力。

由于分立器件是单管，所以功率能力都比较小，所以不可避免会有并联工作的场景。三菱电机的产品无论导通电阻，还是开关损耗，都是正温度系数，有利于并联；同时，门槛电压偏差最大最小值在1V左右，而不是其他产品2V以上的水平。门槛电压偏差值越小，实际应用中并联越简单、可靠。

现在市面上SiC分立式二极管比较多，三菱电机的策略是以全争胜，产品涵盖600V和1200V 10A、20A规格，还有车规器件。其二极管采用JBS结构，可以降低导通压降，同时提高正向浪涌能力。SiC－SBD基准测试显示，以20A器件为例，与竞品比较，三菱电机的正向导通浪涌及正向压降都比较好。

实践出真知

实际应用表明，使用SiC器件开通损耗、关断损耗、反向恢复损耗都可大幅下降，总体损耗减小了七倍，开关频率大幅度提高。如赵争鸣教授所说：“其实，原来的开关，包括硅基MOSFET和IGBT，开关频率还可以往上提，但是越提损耗越高，效率下降就没有意义了。”

电力电子变换器的第一指标就是效率，效率低就没有什么价值。提高采样频率波形就会更好，SiC的工作频率比硅基器件高很多，可达4到5倍，总损耗显著下降，这正是SiC应用的主要驱动力。