SiC功率器件的优势和应用前景

随着新能源汽车销量暴涨的东风，采用碳化硅功率器件可助力新能源汽车提升加速度、降低系统成本、增加续航里程以及实现轻量化等。碳化硅的优越性能使其在更多尖端领域有着迫切的需求。随着航天技术的快速发展，作为航天器的重要组成部分——供配电系统和二次电源的发展面临两方面的挑战，一方面是小型化和轻量化，另一方面是大功率和超大功率航天器的需求。在超大功率方面，目前硅基功率器件的功率容量和工作频率已不能满足设计要求，限制了宇航电源技术的发展，因此SiC功率器件的替代应用已势在必行。

SiC功率器件的优势

开关电源的核心器件是作为功率开关管，目前电源的体积和重量主要受限于磁性器件和电容器的体积，而高频化电源设计是有效减小磁性器件和电容器体积的唯一途径，硅基IGBT器件一般只能工作在20 kHz以下，严重限制了磁性器件和电容器的小体积，因此超大功率电源的体积和重量将变得异常庞大，无法满足航天器总体要求。同时超大功率二次电源产品都朝着高电压趋势发展，而硅基功率器件的电压通常较低，也是限制宇航电源技术发展的主要因素。

SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，近几年来得到越来越多的商业化应用，在光伏、风电、电动汽车及轨道交通等中高功率电力系统应用上具有巨大的优势。例如电动汽车使用SiC模块，其体积减小到原来的1/5。以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件，具有更小的导通电阻、更快的开关速度和更高的阻断电压等优越特性，为电源技术提供了难得的发展机遇，采用宽禁带半导体器件，可以实现更高的变换效率，更高的功率密度，更高的可靠性。

以SiC为代表的宽禁带半导体功率器件，具有更小的导通电阻、更快的开关速度和更高的阻断电压等优越特性，为电源技术提供了难得的发展机遇，采用宽禁带半导体器件，可以实现更高的变换效率，更高的功率密度，更高的可靠性。

1）禁带宽：与 Si 相比，SiC 的禁带更宽，大约是 Si 的 3 倍，使得其本身需要更大的本征激发能量，因此器件能够在高温下依然正常稳定工作，同时还具有抗辐照特性。

2）高击穿场强：SiC 的击穿场强约是Si 的一个数量级，因此能够耐受更高的电压，又因为器件的本身固有导通损耗与其两端电压成反比，即在相同的功率等级的情况下，电压越高，损耗越小。因此可以得出结论，SiC 材料的导通损耗会大大减少。

3）高电子饱和漂移速度：SiC 的电子饱和漂移速度是 Si 的 2 倍，由此可知 SiC 器件的开关速度更快，从而使得功率变换器的工作频率大大提高，同时，高工作频率会让变压器、电感等磁性器件的体积更小，进而减小整个功率模块的体积，最终提高了功率模块的功率密度。

4）高热导率：SiC 的热导率是 Si 的 3倍以上，因此具有更加优良的散热能力，从而减小散热器体积，提高集成度。

5）高熔点：SiC 的熔点大约是 Si 的 2倍，从而使得 SiC 功率器件能够在更高温度下正常工作，SiC 功率器件的最高工作温度甚至可以超过 200 ℃。

由此可以看出，SiC 材料器件能够用于高压、大功率场合，具有 Si 材料器件无可比拟的性能优势，可以满足宇航电源轻质量，小体积，高效率的需求。

SiC相比Si的巨大优势

SiC功率器件在宇航电源领域的应用前景

1.电推进系统电源处理单元应用

目前，超大功率电推进技术已经成为深空探测等空间活动的必备关键技术，电推进系统的超大功率也就是意味着为电推进器提供电力支持的电源处理单元要能够实现高压大电流，SiC功率器件的出现使得超大功率PPU的实现不再成为幻想。

美国针对深空探测的超大功率电推进系统进行了适用于300 V高压母线的PPU功率变换器设计，该功率变换器由两个采用SiC功率器件的7.5 kW全桥变换器并联构成，经测试效率可达98%。未来的超大功率电推进采用耐高压的SiC功率器件进行PPU设计是必然发展趋势，可以大大提高转换效率，减小PPU体积。

电推进系统

2.电机驱动器

随着航天器功率的增加，无刷直流电动机、高功率密度永磁同步电动机被广泛用于太阳能电池阵列部署，天线部署以及动量轮控制。由于空间环境中存在静电放电和宇宙射线，国际空间站使用的航天器母线的最高电压为160 V，要增加功率需要增大电流，而大电流会增加散热，增加热控制的负担则会大大降低航天器的有效负载能力。

当将SiC功率器件应用于航天电机驱动器时，由于与Si二极管相比具有较小的反向恢复电流，因此SiC二极管可以降低开关损耗。除此之外，从功耗的观点出发，可以使用额定电流小的装置来代替额定电流大的装置。例如，将额定电流为200~400 A的Si IGBT模块替换为电流为120 A的SiC模块。

永磁同步电动机

3.高压功率电子调节器

行波管功率放大器是卫星通信系统中非常重要的高功放器件，主要由大功率行波管和高压电子功率调节器两部分组成，其中供电的高压电子功率调节器是行波管功率放大器的主要部分，最高电压可达到8kV。

要用Si基器件来实现如此高的电压输出需要非常复杂的拓扑结构，而这需要很多数量的开关器件和额外的二极管来钳位电压。但是，当使用SiC功率器件时，可以简化变换器设计，减小谐振单元的体积，同时提高效率。

卫星行波管功率放大器

碳化硅功率器件的成熟极大地促进了航空机载传感器、执行机构和控制系统以及电源系统设计等层面的演进，具体体现在航空电子控制系统和电源系统从集中到分布式的转变，以及执行机构从液压或气动到电机驱动的转变这一航空电子系统的总体趋势。其整体的耐高温性能将能很好地满足多电和全电飞机航空电子系统的设计需求。

SiC不仅在汽车、光储充领域备受青睐，其在电动飞机领域也不断获得新突破，应用案例层出不穷。

案例：搭载碳化硅，空客电动飞机实现突破

6月20日，空客官网宣布，他们已与意法半导体签署了一项电力电子研发合作协议，将共同研发飞机电气化的颠覆性功率半导体。空客公司与意法半导体达成合作协议，将共同开发SiC/GaN器件，应用场景包括动飞机的电机电控、DC-DC转换器和无线充电等。

实际上，空客很早就开始了对SiC/GaN等半导体的研发和应用。早在2022年11月，空客的电动飞机就已经采用了碳化硅逆变器，并且接近商用。他们正在持续测试自己的电动飞行平台FlightLab，其EBS 系统中搭载了SiC逆变器，并在H130机型上通过搭载小电池进行了测试。H130机型的飞行测试已经非常稳定，如果市场有利，空客将通过美国和欧洲航空监管机构FAA和EASA认证后投入运营。

2020年6月，霍尼韦尔发布了一种专为城市空中交通（UAM）和电动飞机设计的微蒸气循环系统（MicroVCS）冷却解决方案，其中搭载了碳化硅开关器件，相比其他传统蒸汽循环系统，系统的重量减轻了35％，效率提高了20％。

航空业正经历快速增长，未来空中交通量将以每年 5% 的速度增长。新的航空航天世界在用于电源和电机控制的 SiC 器件中也找到了新的电源解决方案。

碳化硅器件应用航空航天领域前景广阔

由于碳化硅MOSFET产品具有高温性能和高电压能力，因此可以在航空航天电子系统中的高温、高压和高频率环境下使用，SIC MOSFET产品在航空航天领域中的应用潜力巨大，在高温发动机舱内，碳化硅MOS可以用于控制电动风扇和气压控制系统。

在航空航天领域，碳化硅MOSFET具有广阔应用前景，可以提高系统的性能和可靠性，同时也可以满足航空航天领域对高温、高压、高功率等特殊环境的要求。碳化硅MOS也可以用于航空电子设备中的DC-DC转换器和开关等。虽然碳化硅在航空航天领域的应用仍处于初级阶段，但随着技术的不断发展和成本降低，未来有望在这一领域得到更广泛的应用。

来源：半导体功率生态圈

审核编辑：汤梓红