日前，《地铁列车全碳化硅牵引逆变器研制项目》正式通过中国城市交通协会技术装备专业委员会专家评审，迈进了实际运营的道路，碳化硅轨道交通又添一名“力将”。
据悉，搭载了这个全碳化硅牵引逆变器的深圳地铁1号线列车，已经无故障运营5个月以上，累计载客公里数超过6.5万公里。
行业人士预测，在“碳达峰、碳中和”主题之下，碳化硅有望加速进军轨道交通领域，未来轨道交通采用碳化硅将是大势所趋！
此次自主研发的国内首台地铁列车全碳化硅牵引逆变器，是基于最新一代宽禁带器件，3300V等级高压大功率SiC（碳化硅）MOSFET的高频化应用。通过从基础理论、关键技术、系统集成、试验考核等层面开展研究。
项目突破了全碳化硅器件应用、电路拓扑、高频控制等关键技术，打破国外行业技术的垄断，形成高频、高效、低耗的地铁牵引系统解决方案。特别是在节能化方面表现优异，经装车试验测试，同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统，综合能耗降低10%以上，牵引电机在中低速段噪声同比下降5分贝以上，温升同比降低40℃以上。
更高电压、更高效率、更高功率密度代表了电力电子器件技术的发展主题。
近年来新兴的宽禁带半导体材料成为工业界的热点，凭借优越的材料特性为电力电子器件技术带来了新的发展动力，其中以 SiC 为代表的宽禁带半导体的技术成熟度较高，在一些应用领域开始逐步取代硅基电力电子器件。
4H-SiC 的禁带宽度几乎为硅的 3 倍，其本征载流子浓度远低于硅; 热导率也达到硅的 3 倍，因而更加适合高温、高电压工作; 10倍于硅的击穿场强使 SiC 更适合制作高压器件，能够突破硅器件击穿电压的极限，达到 10 kV 甚至 20 kV 以上。
高击穿场强使器件具有厚度更薄、掺杂浓度更高的漂移层，实现更低的比导通电阻和更高的导通电流密度。SiC MOSFET( metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET) 不需要采用超结等复杂结构就可以实现远低于同电压等级硅 MOSFET 的比导通电阻。
与此同时，作为单极型器件，SiC MOSFET 具有比同电压等级硅 IGBT( 绝缘栅双极型晶体管) 更低的开关损耗，从而实现更高的开关频率和更高的功率密度。
SiC MOSFET 是目前最为成熟、应用最广的 SiC 功率开关器。
但是，SiC MOSFET 的沟道迁移率低的问题仍然比较突出，对于中低压器件( 650 ～ 1 700 V) 沟道电阻占总导通电阻的比例较高。
罗姆和英飞凌采用沟槽结构 SiC MOSFET，没有 JFET( 结型场效应管) 区，具有更高的沟道密度，同时沟道所在 SiC 晶面具有较高的沟道迁移率，因此能够实现更低的比导通电阻。
而 Cree 和意法采用平面结构 SiC MOSFET，通过优化器件的结构设计，实现了性能和可靠性俱佳的产品技术，得到了广泛的应用。
Cree 发布的第三代平面结构 SiCMOSFET，1 200 V 产品的比导通电阻仅为 2． 7 mΩ·cm2，在高压领域也显示出优越的性能，10 kV 和 15 kV器件的比导通电阻分别为 123 mΩ·cm2 和 208 mΩ·cm2，接近单极型 SiC 器件的理论极限。
为建立性能优越、可靠性满足工程应用要求的 SiC 电力电子器件产品技术，南京电子器件研究所( NEDI) 一直从事 SiC MOSFET 器件结构设计和关键工艺技术的开发，2017 年研制出 1 200 V SiC 功率MOSFET 器件，击穿电压达 1 800 V，比导通电阻 8 mΩ·cm2。
近年来通过对器件结构设计和关键工艺技术的不断优化，SiC MOSFET 器件性能得到了明显提升，器件阻断电压也得到了大幅度扩展。
Si材料中越是高耐压器件，单位面积的导通电阻也越大（以耐压值的约2~2.5次方的比例增加），因此600V以上的电压中主要采用IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）。
IGBT通过电导率调制，向漂移层内注入作为少数载流子的空穴，因此导通电阻比MOSFET还要小，但是同时由于少数载流子的积聚，在Turn-off时会产生尾电流，从而造成极大的开关损耗。
SiC器件漂移层的阻抗比Si器件低，不需要进行电导率调制就能够以MOSFET实现高耐压和低阻抗。
而且MOSFET原理上不产生尾电流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT时，能够明显地减少开关损耗，并且实现散热部件的小型化。
另外，SiC-MOSFET能够在IGBT不能工作的高频条件下驱动，从而也可以实现无源器件的小型化。
与600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的优势在于芯片面积小（可实现小型封装），而且体二极管的恢复损耗非常小。
主要应用于工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中。
SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍，所以能够以低阻抗、薄厚度的漂移层实现高耐压。
因此，在相同的耐压值情况下，SiC可以得到标准化导通电阻（单位面积导通电阻）更低的器件。
例如900V时，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以实现相同的导通电阻。
不仅能够以小封装实现低导通电阻，而且能够使门极电荷量Qg、结电容也变小。
SJ-MOSFET只有900V的产品，但是SiC却能够以很低的导通电阻轻松实现1700V以上的耐压。
因此，没有必要再采用IGBT这种双极型器件结构（导通电阻变低，则开关速度变慢），就可以实现低导通电阻、高耐压、快速开关等各优点兼备的器件。
SiC-MOSFET与IGBT不同，不存在开启电压，所以从小电流到大电流的宽电流范围内都能够实现低导通损耗。
而Si-MOSFET在150°C时导通电阻上升为室温条件下的2倍以上，与Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比较低，因此易于热设计，且高温下的导通电阻也很低。
※该数据是ROHM在相同条件下测试的结果，仅供参考。此处表示的特性本公司不做任何保证。
SiC-MOSFET的漂移层阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照现在的技术水平，SiC-MOSFET的MOS沟道部分的迁移率比较低，所以沟道部的阻抗比Si器件要高。
因此，越高的门极电压，可以得到越低的导通电阻（VCS=20V以上则逐渐饱和）。
如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驱动电压VGS=10~15V不能发挥出SiC本来的低导通电阻的性能，所以为了得到充分的低导通电阻，推荐使用VGS=18V左右进行驱动。
SiC生产过程分为SiC单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。
SiC衬底：SiC晶体通常用Lely法制造，国际主流产品正从4英寸向6英寸过渡，且已经开发出8英寸导电型衬底产品，国内衬底以4英寸为主。由于现有的6英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产SiC器件，所以6英寸SiC衬底的高市占率将维持较长时间。
SiC外延：通常用化学气相沉积（CVD）方法制造，根据不同的掺杂类型，分为n型、p型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。
SiC器件：国际上600~1700VSiCSBD、MOSFET已经实现产业化，主流产品耐压水平在1200V以下，封装形式以TO封装为主。价格方面，国际上的SiC产品价格是对应Si产品的5~6倍，正以每年10%的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上线，未来2~3年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应Si产品2~3倍时，由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动SiC逐步占领Si器件的市场空间。
全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。
其中美国全球独大，全球SiC产量的70%~80%来自美国公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，典型公司是英飞凌、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。
SiC衬底方面
，天科合达、山东天岳、同光晶体等均能供应3英寸~6英寸的单晶衬底。
SiC外延片方面
，厦门瀚天天成与东莞天域生产3英寸~6英寸SiC外延片。
SiC器件IDM方面
，中电科55所是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装领域实现全产业链的企业单位，其6英寸碳化硅中试线已投入运行，旗下的控股子公司扬州国扬电子为“宽禁带电力电子器件国家重点实验室”的重要实体单位，专业从事以碳化硅为代表的新型半导体功率模块的研制和批产，现有一条于2017年投产、产能50万只/年的模块工艺线。
泰科天润已经量产SiCSBD，产品涵盖600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A系列。深圳基本半导体拥有独创的3DSiC技术，推出的1200VSiCMOSFET性能达到业界领先水平。
SiC器件Fabless方面
，上海瞻芯电子于2018年5月成功地在一条成熟量产的6英寸工艺生产线上完成SiCMOSFET的制造流程。
代工方面
，三安光电旗下的三安集成于2018年12月公布商业版本的6英寸碳SiC晶圆制造流程，并将其加入到代工组合当中。根据公司新闻稿，目前三安SiC工艺技术可以为650V、1200V和更高额定电压的肖特基势垒二极管（SBD）提供器件结构，公司预计在不久后会推出针对900V、1200V和更高额定电压的SiCMOSFETs产品。
1、Cree
Cree旗下的Wolfspeed是生产SiC肖特基二极管、SiCMOSFET元件以及模块，以及GaN器件的先驱公司，在SiC/GaN材料方面具有30年经验，在SiC功率市场与GaN射频器件市场具有领导地位。
在SiC功率器件市场，Wolfspeed占据市场最大的份额，是行业第一家商用SiCMOSFET的企业，服务上千家客户；在GaN射频器件市场，Wolfspeed市场份额位居第二，具备十年以上的GaNHEMT生产经验，出货量超过1500万只；在SiC材料市场，Wolfspeed是第一家提供商业化SiC晶圆产品的企业（1991年），且在其后的30年发展中引领了SiC晶圆尺寸的由小变大（目前为8寸），是名副其实的市场引领者。
Wolfspeed同时提供GaN-on-SiC代工服务，改变了行业传统的IDM业态。作为GaN-on-SiCMMIC技术的领导者，公司运用世界上最大的宽禁带半导体生产线为客户提供从设计协助到制造、测试服务，缩短下游客户产品推出周期。国内三安集成的GaN代工服务与之类似。
Wolfspeed虽然目前是Cree三大部门（LED、LED照明应用、Wolfspeed）中体量最小的，但已经是公司最核心的业务部门。Wolfspeed2018年实现营收3.29亿美元，同比增长25.47%；毛利率高达47%。根据公开业绩说明会，Wolfspeed的目标是在2022年收入番两番，达到8.5亿美元，届时将成为Cree最大的收入来源。在Wolfspeed看来，到2022年只要有25%的目标市场转换为SiC和GaN，就将是20亿美元的市场，是现今市场的8倍，公司为极具潜力的SiC和GaN已经做好了准备。
Infineon是市场上唯一一家提供涵盖Si、SiC和GaN等材料的全系列功率产品的公司，开发的CoolSiC技术具备非常大的潜力。Infineon于1992年开始SiC领域研发，2001全球首次SiC二极管推出商业市场，于2006年推出全球首个采用SiC组件的商用电源模块，目前已经已经发展至第五代。公司近年在奥地利投入三千五百万欧元对SiC设备和相关工艺的研发。
2018年2月Infineon与Cree宣布签订了战略性长期供货协议，负责向后者提供SiC晶圆；11月收购Siltectra获得ColdSplit技术，相比传统研磨90％的材料浪费，该技术将耗材成本降低50％，并将整体切片成本降低30％。
ROHM是日本首家、全球第四家具备SiC器件量产能力的半导体厂商，其优势在于实现从衬底到模块的垂直整合。根据Yole的统计，Infineon和Cree两家公司占据了整个SiC市场份额68%，其后便是ROHM。为了把握SiC材料快速增长的机遇，根据公开业绩说明会，公司计划分批投入共计600亿日币，至2025年时将SiC的产能提升至2017年的16倍。力争到2025年，ROHM能在全球SiC市场的份额达到30%。
ROHM专注于汽车和工业市场。截至2017财年，汽车和工业的销售已经占到总销售额的44%，根据公司业绩说明会，预计2020年更将达到50%，其中汽车占35%，工业占15%。公司预计汽车、工业方面将分别实现年均增长11%、13%(2017年3月—2021年3月)。
免责声明：本文内容由第三代半导体联合创新孵化中心（ID：casazlkj )根据相关资料整理，转载请注明出处。本文任何之观点，皆为交流探讨之用，不构成任何投资建议，也不代表本公众号的立场。如果有任何异议，欢迎联系国际第三代半导体众联空间。
现在申请入孵
可享受价值万元的年度专业服务
还可以享受星级孵化服务
还有更多入孵福利！
创业需要一个好平台，选择一个最合适的，国际第三代半导体众联空间期待您的加入！
请戳右下角，给我一点好看！
2021年6月21日 16:39
