從簡單的二極管起步實現(xiàn)實用化

　　碳化硅功率元器件的開發(fā)在分為二極管和晶體管2個階段進(jìn)行。二極管的結(jié)構(gòu)較為簡單，易于制造。首先公布產(chǎn)品的是德國英飛凌科技公司(Infineon Technologies)，時間為2001年。如今在日本國內(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，晶體管仍處于開發(fā)階段。雖然有企業(yè)宣布已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化，但似乎僅能用于部分用途。最大的問題在于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以生產(chǎn)，以及成本較高。

　　據(jù)稱，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，有時會取得更好的效果。

　　例如，羅姆從今年開始生產(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，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　羅姆開發(fā)及開始量產(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。因此在投入實用時，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輛。

　　三菱電機(jī)已將利用碳化硅功率元件的鐵路車輛逆變器裝置產(chǎn)品化，并實際配備在東京地鐵銀座線的1節(jié)車輛上，于2012年2月開始進(jìn)行試運(yùn)行(圖7)。三菱電機(jī)稱，將利用碳化硅功率元件的鐵路逆變器裝置投入實用，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，能夠使整個鐵路車輛系統(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%。這是因為冷卻機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)小型化等。

　　東芝目前也在進(jìn)行同樣的研究，通過使用碳化硅二極管，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，也預(yù)定在2012年年內(nèi)配備到實際鐵路車輛上進(jìn)行試運(yùn)行。

　　汽車廠商也非常關(guān)注

　　眾所周知，混合動力車“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。汽車廠商正在積極提高混合動力車和純電動汽車等電動汽車的比例，目前正在探討可否利用新一代功率半導(dǎo)體，實現(xiàn)部件的小型化及高效化。

　　豐田第3電子開發(fā)部(當(dāng)時)的濱田公守在2012年1月舉行的研討會上談到，碳化硅功率元件的優(yōu)點之一，在于可實現(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“X-TRAIL FCV”上，并于2008年進(jìn)行了行駛試驗。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)用于純電動汽車。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汽車行駛系統(tǒng)，并在2011年1月舉行的展會上展出。三菱電機(jī)也于2012年3月，公布了碳化硅逆變器與馬達(dá)合為一體的純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)(圖8)。

圖8　三菱電機(jī)開發(fā)的逆變器一體型純電動汽車馬達(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�？煽匆娔孀兤骰�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)用于太陽能電池功率調(diào)節(jié)器及微逆變器。這些都是將太陽能電池的直流輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞯难b置。通過將硅功率元件改為碳化硅元件，就可使電力轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的能量損失降低幾個百分點。雖說只有幾個百分點，但由于與太陽能電池的發(fā)電量直接相關(guān)，因此有很大的效果。

　　最近備受關(guān)注的事例還有在無線供電系統(tǒng)中采用碳化硅。羅姆在2011年10月的展會上展出了相關(guān)產(chǎn)品，在電場耦合方式的50瓦無線供電裝置發(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。高級汽車音響企業(yè)Bewith公司在2011年12月的東京車展上，展出了與新日本無線公司共同開發(fā)的配備了碳化硅二極管的功率放大器，并實際安裝到汽車上進(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。并且，由于結(jié)晶缺陷較少，可抑制漏電流，減少白噪音。