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导读
以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料由于其禁带宽度大、击穿场强高、热导率高、电子饱和漂移速度高等特性，在光电子领域及高频大功率应用上倍受青睐。
本文对比了SiC和Si的物理结构和电气特性，并选取了两款MOSFETs，在实验室中用Saber仿真了它们在电路中的损耗，结果显示SiC MOSFETs平均损耗比Si MOSFETs低30%～48%。最后，讨论了SiC器件在光电子、太阳能逆变器和移动储能电站中的应用，并且在实验室中测试、分析了两台来自不同厂家的样机，实验结果显示，SiC系统比Si系统运行温度降低50%～60%，损耗降低11%，整机效率提高2.68%，功率密度由约0.46 kW/L提高到0.90 kW/L。说明SiC能够大幅提升系统的效率和功率密度，因其巨大的潜力，未来有望将工作频率提升至500 kHz以上，将系统功率密度提升至现有产品的5～10倍。
引言
第一代半导体材料Si点燃了信息产业发展的星星之火，世界上95%的半导体是由Si材料制作，随着电子电力技术的不断发展，电能早已成为日常生活中最不可或缺的能源，据统计，全球40%的能源是以电能的形式被消耗掉，而电能转换传输过程中的损耗是最主要的电能损耗方式。传统的Si半导体已经无法满足当今社会对于高频、高温、高功率、高效率以及小型化的要求，于是以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料应运而生。在2001年德国的Infineon公司率先推出SiC二极管，美国的CREE公司也紧随其后推出了SiC二极管的产品，目前市场份额最大的品牌是CREE，紧随其后的是Infineon、ROHM、ST等公司。Infineon和CREE两家公司占据了全球SiC半导体市场68%的市场份额，其它公司总共占据32%市场份额。SiC以其优异的性能广泛应用于光电子、新能源汽车、储能系统、轨道交通、光伏发电等高新技术产业。
1 SiC材料结构和物理特性
图1 由两层碳（C）和硅（Si）组成的4H-SC晶体结构
表1 碳化硅各种晶型的特性
2 SiC与其它半导体材料的性能对比
表2 不同半导体材料带隙表
图2 （a）碳化硅、氮化镓、硅材料特性对比；（b）碳化硅、氮化镓、硅导通电阻和击穿电压曲线
3 SiC MOSFETs与Si MOSFETs对比及仿真
3.1 参数对比
表3 SiC和Si MOSFETs关键参数对比
3.2 温度特性分析
图3 （a）Si MOSFETs温度/导通电压曲线；（b）SiC MOSFETs温度/导通电压曲线
3.3 Saber损耗仿真对比
图4 6kW DC-DC拓扑
图5 （a）满载下Si MOSFETs损耗；（b）满载下SiC MOSFETs损耗
图6 （a）半载下Si MOSFETS损耗；（b）半载下SiC MOSFETS损耗
4 SiC功率器件的应用
4.1 行业应用介绍
4.1.1 LED半导体照明
图7 CREE三代LED产品尺寸对比
4.1.2 太阳能逆变器
图8 50 kW太阳能逆变器外观
4.2 移动储能电站系统
4.2.1 系统结构
图9 移动储能电站系统结构
4.2.2 产品分析
4.2.2.1 OBC 的DC-DC模块
表4 DC-DC基本参数
图10 DC-DC实验装置连接方式
图11 （a）420 V输入电压、不同负载下效率；（b）580 V输入电压、不同负载下效率及（c）760 V输入电压、不同负载下效率
图12 （a）420 V满载热成像图（Si）；（b）420 V满载热成像图（SiC）；（c）580 V满载热成像图（Si）；（d）580 V满载热成像图（SiC）；（e）760 V满载热成像图（Si）；
（f）760 V满载热成像图（SiC）
4.2.2.2 CREE DC-DC
表5 CREE DC-DC基本参数
图13 8 kW CREE SiC样机
表6 碳化硅系统损耗和硅系统损耗
图14 SiC系统在700 V输入不同负载下的效率
5 结论
本文介绍了SiC的发展历史、材料特性和物理结构，对比分析了SiC、Si和GaN，突出了SiC禁带宽度大、击穿场强高、热导率高、电子饱和漂移速度高等特点。具体对比了CREE的C2M0080120D（SiC）和IXYS的IXFK26N120P（Si）两款MOSFETs，并在实验室仿真了其在电路中的损耗，验证SiC功率器件能够降低系统的损耗。
介绍了碳化硅功率器件在光电子、太阳能逆变器和移动储能电站中的应用。针对移动储能电站的应用选取了两个产品对其损耗、效率和功率密度进行了测试分析，结果指出SiC系统相较于Si系统整机效率高2.68%、损耗低11%、工作温度低50%、功率密度提升0.95倍，实验结果符合前文对于SiC性能的分析预测和仿真结果。未来，进一步提高SiC系统的工作频率、效率和功率密度，进一步实现移动储能电站的小型化和轻量化是研究的方向，同时高工作频率带来的EMI问题也需进一步研究解决。
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