1 SiC二极管完成产业化
SiC电力电子器材中，SiC二极管最早完成产业化。2001年德国Infineon公司首要推出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。现在，SiC二极管现已存在600V~1700V电压等级和50A电流等级的产品。
SiC肖特基二极管能供给近乎抱负的动态功能。做为单子器材，它的作业进程中没有电荷贮存，因而它的反向康复电流仅由它的耗尽层结电容构成，其反向康复电荷以及其反向康复损耗比Si超快康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注册损耗也可以得到大幅度削减，因而前进电路的开关频率。别的，它几乎没有正向康复电压，因而可以当即导通，不存在双极型器材的注册延时现象。在常温下，其正态导通压降和Si超快康复器材根本相同，可是由于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情况下，这可以大幅度前进SiC肖特基二极管的容量，使它在较大容量中的运用成为或许。现在试验室报导的最大容量的SiC二极管现已到达了6500V/1000A的水平。由于SiC开关管的开展相对二极管滞后，当时更遍及的做法是将SiC 二极管和Si IGBT 和MOSFET器材封装在一个模块中以构成大功率开关组合。现在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设备中替换硅基快康复二极管，明显前进了作业频率和整机功率。中低压SiC肖特基二极管现在现已在高端通讯开关电源、光伏并网逆变器范畴上发生较大的影响。
SiC肖特基二极管的开展方向是衬底减薄技能和Trench JBS结构。衬底减薄技能可以有效地减小低压SiC肖特基二极管的导通电阻，增强器材浪涌电流才干，减小器材热阻。Infineon公司于2012年9月发布第五代SiC SBD产品，初次选用衬底减薄技能。在SiC晶格里，JBS结构中离子注入p阱的深度遭到约束（《1um），反偏条件下浅p-n结对肖特基结的屏蔽效果不是特别明显，只要在相邻p阱之间的距离较小时才干突显出来，但一同带来的正导游通沟道宽度变窄效应使得正导游通压降明显添加。为了处理这一问题，新一代SiC肖特基二极管的开展方向是Trench JBS结构。Cree公司新一代SiC肖特基二极管一同选用Trench JBS结构和衬底减薄技能，与传统的JBS二极管比较，正反向特性都得到了改进，不只添加了电流密度（芯片面积减小50%）;也前进了阻断电压（前进150V）和雪崩才干。
2 SiC JFET器材的产业化开展
碳化硅JFET有着高输入阻抗、低噪声和线性度好等特色，是现在开展较快的碳化硅器材之一，而且首要完成了商业化。与MOSFET器材比较，JFET器材不存在栅氧层缺点构成的牢靠性问题和载流子迁移率过低的约束，一同单极性作业特性使其坚持了杰出的高频作业才干。别的，JFET器材具有更佳的高温作业稳定性和牢靠性。碳化硅JFET器材的门极的结型结构使得一般JFET的阈值电压大多为负，即常通型器材，这关于电力电子的运用极为晦气，无法与现在通用的驱动电路兼容。美国Semisouth公司和Rutgers大学经过引进沟槽注入式或许台面沟槽结构（TI VJFET）的器材工艺，开宣布常断作业状况的增强型器材。可是增强型器材往往是在献身必定的正导游通电阻特性的情况下构成的，因而常通型（耗尽型）JFET更简略完成更高功率密度和电流才干，而耗尽型JFET器材可以经过级联的办法完成常断型作业状况。级联的办法是经过串联一个低压的Si基MOSFET来完成。级联后的JFET器材的驱动电路与通用的硅基器材驱动电路天然兼容。级联的结构非常适用于在高压高功率场合代替原有的硅IGBT器材，而且直接回避了驱动电路的兼容问题。
现在，碳化硅JFET器材以及完成必定程度的产业化，首要由Infineon和SiCED公司推出的产品为主。产品电压等级在1200V、1700V，单管电流等级最高可以达20A，模块的电流等级可以到达100A以上。2011年，田纳西大学报到了50kW的碳化硅模块，该模块选用1200V/25A的SiC JFET并联，反并联二极管为SiC SBD。2011年，Global Power Electronics研制了运用SiC JFET制造的高温条件下SiC三相逆变器的研讨，该模块峰值功率为50kW（该模块在中等负载等级下的功率为98.5%@10kHz、10kW，比起Si模块功率更高。2013年Rockwell 公司选用600V /5A MOS增强型JFET以及碳化硅二极管并联制造了电流等级为25A的三相电极驱动模块，并与如今较为先进的IGBT、pin二极管模块作比较：在平等功率等级下（25A/600V），面积削减到60%，该模块旨在减小通态损耗以及开关损耗以及功率回路傍边的过压过流。
3 SiC MOSFET器材实用化获得打破
碳化硅MOSFE一直是最受注目的碳化硅开关管，它不只具有抱负的栅极绝缘特性、高速的开关功能、低导通电阻和高稳定性，而且其驱动电路非常简略，并与现有的电力电子器材（硅功率MOSFET和IGBT）驱动电路的兼容性是碳化硅器材中最好的。
SiC MOSFET器材长时间面对的两个首要应战是栅氧层的长时间牢靠性问题和沟道电阻问题。其间沟道电阻大导致导通时的损耗大，为削减导通损耗而下降导通电阻和前进栅氧层的牢靠性的研制一直在进行。下降导通电阻的办法之一是前进反型沟道的载流子迁移率，减小沟道电阻。为了前进碳化硅MOSFET栅氧层的质量，下降外表缺点浓度，前进载流子数量和迁移率，一种最通用的办法是完成成长界面的氮注入，也被称为界面钝化，即在栅氧层成长进程完毕后，在富氮的环境中进行高温退火，这样可以完成沟道载流子迁移率的前进，然后减小沟道电阻，减小导通损耗。下降导通电阻的办法之二是选用在栅极正下方挖掘沟槽的沟槽型栅极结构。现在现已投产的SiCMOSFET都是“平面型”。平面型在为了下降沟道电阻而对单元进行微细化时，简略导致JFET电阻增大的问题，导通电阻的下降方面存在必定的局限性。而沟槽型在构造上不存在JFET电阻。因而，适于下降沟道电阻、减小导通电阻，可是Si沟槽型MOSFET现在没有处理沟槽刻蚀之后侧壁沟道的外表问题。
美国Cree和日本Rohm公司现已能供给业界抢先的碳化硅的MOSFET器材。美国现已将碳化硅MOSFET器材运用于开发2.7MVA的固态功率变电站，该固态功率变电站或许将被运用于美国下一代航空母舰CVN-21的配电体系中。选用全碳化硅功率模块，可以使传统的低频（60Hz）变压器转变为高频（20kHz）固态功率变电站，估计使变压器的分量由6吨下降到1.7吨，体积从10立方米下降到2.7立方米，大大前进舰船体系的功能。2012年，日本三菱电机经过运用碳化硅制造的MOSFET和肖特基二极管，研宣布一个达11kW逆变器，它比依据硅器材制造的逆变器，下降动力损耗达七成，输出功率为10W/cm3。日本三菱电机报导了运用强制风冷的三相400V输出全碳化硅逆变器，选用了碳化硅JFET和碳化硅肖特基势垒二极管，这套设备的功率密度到达了50kVA/升，远高于传统的硅基设备。2013年3月美国Cree发布第2代SiC MOSFET。与第1代产品比较，经过缩小芯片面积等手法紧缩了本钱。以耐压为1.2kV的种类为例，第2代芯片面积比第1代缩小了约40%。
4 SiC IGBT器材
由于遭到工艺技能的限制，碳化硅IGBT的起步较晚，高压碳化硅IGBT面对两个应战：第一个应战与碳化硅MOSFET器材相同，沟道缺点导致的牢靠性以及低电子迁移率问题;第二个应战是N型IGBT需求P型衬底，而P型衬底的电阻率比N型衬底的电阻率高50倍。因而，1999年制成的第一个IGBT选用了P型衬底。经过多年的研制，逐渐克服了P型衬底的电阻问题，2008年报导了13kV的N沟道碳化硅IGBT器材，比导通电阻到达22mΩ×cm2。有报导对15kV的N-IGBT和MOSFET的正导游通才干做了一个比较，成果闪现，在结温为室温时，在芯片功耗密度为200 W/cm2以下的条件下，MOSFET可以获得更大的电流密度，而在更高的功耗密度条件下，IGBT可以获得更大的电流密度。在结温为127？C时，IGBT在功耗密度为50 W/cm2以上的条件下就可以导通比MOSFET更高的电流密度。同一年，该团队还报导了阻断电压到达12 kV的P沟道碳化硅IGBT，导通比电阻降到了14mΩ×cm2，表现了明显的电导调制才干。
碳化硅 IGBT器材的优势运用规模为10kV以上的高压范畴。在这一范畴中，碳化硅MOSFET器材会面对通态电阻过高的问题，可是在10kV以下的运用中，碳化硅IGBT 相关于碳化硅MOSFET 的优势并不非常明显。在15 kV以上的运用范畴，碳化硅IGBT归纳了功耗低和开关速度快的特色，相关于碳化硅的MOSFET以及硅基的IGBT、晶闸管等器材具有明显的技能优势，特别适用于高压电力体系运用范畴。新式高温高压碳化硅IGBT器材将对大功率运用，特别是电力体系的运用发生严重的影响。可以预见的是，高压碳化硅IGBT器材将和PiN二极管器材一同，成为下一代智能电网技能中电力电子技能最中心的器材。
5 SiC 功率模块
碳化硅功率模块是全球电力电子器材大型企业现在要点的开展方向。碳化硅功率模块现已在一些高端范畴完成了开端运用，包含高功率密度电能转化、高功能电机驱动等等，并具有宽广的运用远景和市场潜力。在碳化硅功率模块范畴，首要开端研制的是依据碳化硅功率二极管和硅基IGBT的混合功率模块。第一个完成商用的选用碳化硅二极管和硅基IGBT的高功率模块是Infineon公司的PrimePACK产品。跟着碳化硅器材的前进，全碳化硅功率模块不断被研宣布来。美国Cree公司报导了阻断电压10kV，电流20A的碳化硅MOSFET芯片，并可以经过并联模块得到100A的电流传输才干。2009年美国Cree公司与Powerex公司开宣布了双开关1200V、100A的碳化硅功率模块，该模块由耐高压和大电流的碳化硅的MOSFET器材和碳化硅肖特基二极管组成。2011年，美国U.S. Army Research Laboratory研制了用20个80A的SiC MOSFET以及20个50A SiC肖特基二极控制造了一个1200V/800A的双向功率模块。该模块用作全桥逆变并与Si器材比较试验，成果表明功率损耗至少下降40%，在相同输出电流等级情况下SiC的模块可以作业在Si模块的4倍频状况。该模块估计用于电动轿车范畴。2012年，日本富士电机公司研制依据SiC MOSFET的1200V/100A的碳化硅功率模块。该模块选用新式无焊线规划、氮化硅陶瓷作衬底制造，可以在200°C高温作业作，而且相似倒装芯片的压接式规划使得该模块与起传统的铝线键合模块比较具有内电感低的特色，一同损耗更低，与传统同功率IGBT模块比较具有更紧凑的结构，巨细约为原先的1/2。2012年日本罗姆公司开端推出全碳化硅功率模块，2013年，美国的CREE公司和日本的三菱公司也推出了1200V/100A的全碳化硅模块。这些全碳化硅功率模块组合了碳化硅MOSFET器材和肖特基二极管，运用高速开关及低损耗的特性，可替换本来额定电流为200～400A的硅基IGBT模块。因器材散热性前进，使得设备的体积缩小了一半，而且发热量小，可缩小冷却设备，完成设备的小型化，一同可以将电力转化时的损耗削减85%以上，大幅削减工业设备的电力损耗。全碳化硅MOSFET（或JFET）模块的优秀特性使它具有在10kV以下的运用中替代硅基IGBT的巨大潜力，替代的速度和规模将取决于碳化硅资料和器材技能的老练速度和本钱下降的速度。
6 小结
碳化硅电力电子器材在前进电能运用功率和完成电力电子设备的小型化方面将发挥越来越大的优势。碳化硅电力电子器材能前进电能运用的功率，来完成电能丢失的削减，由于相关于硅器材，碳化硅器材在下降导通电阻和减小开关损耗等方面具有优势。比方，由二极管和开关管组成的逆变电路中，仅将二极管资料由硅换成碳化硅，逆变器的电能丢失就可以下降15～30%左右，假如开关管资料也换成SiC，则电能丢失可下降一半以上。运用碳化硅制造的电力电子器材具有三个能使电力转化器完成小型化的特性：更高的开关速度、更低的损耗和更高的作业温度。碳化硅器材能以硅器材数倍的速度进行开关。开关频率越高，电感和电容等储能和滤波部件就越简略完成小型化;电能丢失下降，发热量就会相应削减，因而可完成电力转化器的小型化;而在结温方面，硅器材在200°C就到达了极限，而碳化硅器材能在更高结温文环境温度的情况下作业，这样就可以缩小或许省去电力转化器的冷却组织。
跟着碳化硅电力电子器材的技能前进，现在碳化硅器材相关于硅器材，不只有功能的巨大优势，在体系本钱上的优势也逐渐闪现。依据美国Cree公司的评价，与运用硅IGBT和硅二极管比较，运用该公司的第2代SiC MOSFET和SiC二极管可以下降升压转化器的总本钱。具体来说，经过前进开关频率来缩小电感器、下降电感器的本钱，可使总本钱紧缩到比运用Si功率元件时更低的程度。以10kW级的升压转化器为例，依照Cree公司预算的成果，假如运用Si功率元件，在20kHz下开关，需求的本钱是181.4美元，而运用SiC功率元件，在60kHz、100kHz下驱动的话，本钱将别离降至170美元、163美元。运用SiC功率元件有望下降电力转化器的总本钱。
在电力电子器材运用的很多范畴，比方输电体系、配电体系、电力机车、混合动力轿车、各种工业电机、光伏逆变器、风电并网逆变器、空调等白色家电、服务器及个人电脑等，碳化硅器材将逐渐地展现出其功能和下降体系本钱方面的优势。作为下一代电力电子器材的首要方向，碳化硅电力电子器材将为电力电子带来重要的技能革新，并推进电力电子范畴在往后二、三十年的开展。
