從簡(jiǎn)單的二極管起步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化

碳化硅功率元器件的開(kāi)發(fā)在分為二極管和晶體管2個(gè)階段進(jìn)行。二極管的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，易于制造。首先公布產(chǎn)品的是德國(guó)英飛凌科技公司（Infineon Technologies），時(shí)間為2001年。如今在日本國(guó)內(nèi)，有三菱電機(jī)、羅姆等7家企業(yè)涉足該領(lǐng)域，包括海外在內(nèi)，目前有10多家企業(yè)進(jìn)入了該領(lǐng)域，已經(jīng)推出多種產(chǎn)品（表1）。 

表1 從事碳化硅功率元件或功率元件碳化硅基板業(yè)務(wù)的主要企業(yè)

另一方面，晶體管仍處于開(kāi)發(fā)階段。雖然有企業(yè)宣布已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，但似乎僅能用于部分用途。最大的問(wèn)題在于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以生產(chǎn)，以及成本較高。

據(jù)稱(chēng)，僅將利用硅半導(dǎo)體制造的逆變器的二極管部分改為碳化硅，即可使能量損失削減15～30％。不光是二極管，如果將晶體管也改為碳化硅，損失可降低到50％以下。根據(jù)具體用途，有時(shí)會(huì)取得更好的效果。

例如，羅姆從今年開(kāi)始生產(chǎn)的碳化硅功率模塊，其二極管和晶體管均使用了碳化硅，該公司稱(chēng)，與原先使用硅的產(chǎn)品相比，可使電力損耗削減85％左右（圖6）。

圖6 羅姆開(kāi)發(fā)及開(kāi)始量產(chǎn)的全碳化硅功率模塊

應(yīng)用研究日趨活躍

新一代功率半導(dǎo)體雖然性能出色，但成本較高。因此在投入實(shí)用時(shí)，系統(tǒng)成本較高的大型設(shè)備易于加以采用。其代表例子就是鐵路車(chē)輛。

三菱電機(jī)已將利用碳化硅功率元件的鐵路車(chē)輛逆變器裝置產(chǎn)品化，并實(shí)際配備在東京地鐵銀座線的1節(jié)車(chē)輛上，于2012年2月開(kāi)始進(jìn)行試運(yùn)行（圖7）。三菱電機(jī)稱(chēng)，將利用碳化硅功率元件的鐵路逆變器裝置投入實(shí)用，這“在全球尚屬首例”。

圖7 配備使用碳化硅二極管的逆變器裝置、目前正在試運(yùn)行的東京地鐵銀座線的車(chē)輛。右側(cè)為逆變器裝置。

所利用的功率元件是碳化硅二極管。與使用硅二極管相比，能夠使整個(gè)鐵路車(chē)輛系統(tǒng)的能量損失削減30％左右。并且，逆變器的體積及重量均可削減約40％。這是因?yàn)槔鋮s機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)小型化等。

東芝目前也在進(jìn)行同樣的研究，通過(guò)使用碳化硅二極管，可使逆變器裝置的體積削減60％左右，結(jié)合利用永磁同步馬達(dá)，大約可取得20％的節(jié)能效果。東芝稱(chēng)，也預(yù)定在2012年年內(nèi)配備到實(shí)際鐵路車(chē)輛上進(jìn)行試運(yùn)行。

汽車(chē)廠商也非常關(guān)注

眾所周知，混合動(dòng)力車(chē)“普銳斯”上使用了比1枚6英寸晶圓還大的半導(dǎo)體。其中大部分為絕緣柵雙極型晶體管及功率MOSFET等功率半導(dǎo)體。汽車(chē)廠商正在積極提高混合動(dòng)力車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)等電動(dòng)汽車(chē)的比例，目前正在探討可否利用新一代功率半導(dǎo)體，實(shí)現(xiàn)部件的小型化及高效化。

豐田第3電子開(kāi)發(fā)部（當(dāng)時(shí)）的濱田公守在2012年1月舉行的研討會(huì)上談到，碳化硅功率元件的優(yōu)點(diǎn)之一，在于可實(shí)現(xiàn)功率模塊的小型化。例如，他推算，智能功率模塊（intelligent power module）如果利用碳化硅功率元件，體積便可縮小到原先的2/3～1/3。

日產(chǎn)汽車(chē)試制出采用碳化硅二極管的逆變器電路，配備在燃料電池車(chē)“X-TRAIL FCV”上，并于2008年進(jìn)行了行駛試驗(yàn)。本田技術(shù)研究所也試制出了“全碳化硅”高輸出功率模塊，將轉(zhuǎn)換器和逆變器所使用的二極管及晶體管全部由硅制改為碳化硅制。日產(chǎn)和本田技術(shù)研究所均是與羅姆共同進(jìn)行研究。

應(yīng)用領(lǐng)域范圍全面擴(kuò)大

除了汽車(chē)廠商以外，還有其他企業(yè)也在研究將新一代功率半導(dǎo)體應(yīng)用于純電動(dòng)汽車(chē)。馬達(dá)和逆變器裝置等領(lǐng)域的大型廠商安川電機(jī)公司試制出了利用碳化硅功率元件的純電動(dòng)汽車(chē)行駛系統(tǒng)，并在2011年1月舉行的展會(huì)上展出。三菱電機(jī)也于2012年3月，公布了碳化硅逆變器與馬達(dá)合為一體的純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖8）。

圖8 三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)的逆變器一體型純電動(dòng)汽車(chē)馬達(dá)系統(tǒng)

輸出為70千瓦，與該公司原有產(chǎn)品相比，體積減小一半。右側(cè)為內(nèi)部。可看見(jiàn)逆變器基板。

此外，三菱電機(jī)和意法半導(dǎo)體還在研究將碳化硅應(yīng)用于太陽(yáng)能電池功率調(diào)節(jié)器及微逆變器。這些都是將太陽(yáng)能電池的直流輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。通過(guò)將硅功率元件改為碳化硅元件，就可使電力轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的能量損失降低幾個(gè)百分點(diǎn)。雖說(shuō)只有幾個(gè)百分點(diǎn)，但由于與太陽(yáng)能電池的發(fā)電量直接相關(guān)，因此有很大的效果。

最近備受關(guān)注的事例還有在無(wú)線供電系統(tǒng)中采用碳化硅。羅姆在2011年10月的展會(huì)上展出了相關(guān)產(chǎn)品，在電場(chǎng)耦合方式的50瓦無(wú)線供電裝置發(fā)送端逆變器上使用了碳化硅晶體管（MOSFET）。逆變器的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95％。

還有一些奇特的事例，例如在音響系統(tǒng)的電源中使用了碳化硅。高級(jí)汽車(chē)音響企業(yè)Bewith公司在2011年12月的東京車(chē)展上，展出了與新日本無(wú)線公司共同開(kāi)發(fā)的配備了碳化硅二極管的功率放大器，并實(shí)際安裝到汽車(chē)上進(jìn)行了演示。碳化硅二極管由于響應(yīng)速度快，因此易于配合音量變化等負(fù)荷變動(dòng)。并且，由于結(jié)晶缺陷較少，可抑制漏電流，減少白噪音。（日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) 供稿）