中电南方国基集团李士颜：功率碳化硅MOSFET芯片及模块研究进展及应用

碳化硅（SiC）材料拥有更大的禁带宽度，更高的临界击穿场强和热导率等优异的材料特性，使得碳化硅电力电子器件具有更高的阻断电压，更大的输出功率、更高工作频率及更高得工作温度等性能优势，可以大幅减小设备体积与重量，降低损耗。

 

近日，2021功率半导体与车用LED技术创新应用论坛在上海举行。本届论坛由半导体产业网和励展博览集团共同主办，并得到第三代半导体产业技术创新战略联盟、国家半导体照明工程研发及产业联盟的指导。

会上，中电南方国基集团有限公司高级工程师李士颜带来了“功率碳化硅 MOSFET芯片及模块研究进展及应用”的主题报告，分享了功率SiC器件的市场机遇、国际现状，芯片及模块研究进展，主要应用挑战与未来展望。

 

功率SiC具有高禁带宽度、击穿场强、热导率、电子漂移速度等材料特性，器件具有高击穿电压、开关频率、工作温度、功率密度等优势，其转换效率、尺寸重量、系统工作频率等系统功能在提升。

 

功率SiC在新能源汽车应用涉及充电桩、车载充电器，电机控制器等，具有体积减小，重量降低，工作频率提高，逆变器效率提升等应用优势，未来在提高续航能力、提升空间利用率，降低系统成本等方面有市场前景。目前，苏州3号线轨道交通，采用全SiC驱动模块，即将正式运营。日本和德国高铁公司将SiC驱动作为全球 “逐鹿”的关键技术。Yole预测，到2025年铁路SiC营收将增长到1.18亿美元，年复合增长率达到55%。

 

功率SiC技术成熟度快速提升，SiC SBD和SiC MOSFET已商品化 ，超越“概念验证”阶段。

在电源、光伏领域的应用规模进一步扩大，处于快速增长期，可靠性及成本达到EV、轨道交通等应用要求，逐步进入成熟期。

 

产业初具规模，2019年产品销售超过5亿美元，高端应用正逐步替代硅器件。市场规模快速增长，年增长率~30%，2027年超过100亿美元。生产规模不断扩大，国际已6英寸平台为主，并向8英寸产线升级。

 

功率SiC器件的国际现状来看，平面型SiC MOSFET、沟槽型SiC MOSFET等方面都有进展，其中，SiC肖特基二极管产品系列化，SiC MOSFET成熟度提升迅速，国际上10余家公司量产SiC MOSFET系列产品，击穿电压650- 1700V，单芯片导通电流最高达100A以上。

 

国内SiC芯片及模块研究方面，SiC外延材料自主保障、功率SiC器件生产线方面，宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室净化面积4000m2，供货能力超过3万片/年，650V-1700V SiC二极管和MOSFET量产，3300V-15kV SiC器件技术平台。新型功率模块生产线方面，2014年55所成立国扬电子公司，专业从事以SiC为代表的新型半导体功率模块的研制和批产。产品包括IGBT模块、SiC混合功率模块、SiC MOSFET功率模块等，年产各类功率模块150万块。

 

报告还分享了中低压SiC MOSFET芯片量产攻关、车用1200V/600A SiC功率模块、车用1200V/600A SiC功率模块、6.5kV SiC DMOSFET、6.5 kV器件阈值电压稳定性、6.5kV400A SiC MOSFET模块、6.5kV 模块开通损耗优化、10kV SiC MOSFET芯片研制、10kV100A SiC MOSFET模块等技术进展。

 

李士颜表示，当前功率SiC器件应用，存在着SiC MOSFET器件应用成本挑战、单芯片电流限制，多芯片并联挑战等。展望未来国际上SiC功率器件市场化应用速度提升，在电动汽车、电源、轨道交通等领域的应用将进入爆发期，市场产值将急剧扩张，国内SiC功率器件迅速布局，技术进步迅速，自主芯片国产替代前景广阔。大尺寸SiC衬底、SiCMOSFET技术成熟度仍需提高，SiCMOSFET器件应用技术提升是SiC市场的重要牵引。