從簡單的二極管起步實現實用化

　　碳化硅功率元器件的開發在分為二極管和晶體管2個階段進行。二極管的結構較為簡單，易于制造。首先公布產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，有三菱電機、羅姆等7家企業涉足該領域，包括海外在內，目前有10多家企業進入了該領域，已經推出多種產品(表1)。

表1　從事碳化硅功率元件或功率元件碳化硅基板業務的主要企業

　　另一方面，晶體管仍處于開發階段。雖然有企業宣布已經實現產品化，但似乎僅能用于部分用途。最大的問題在于其結構較為復雜，難以生產，以及成本較高。

　　據稱，僅將利用硅半導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，與原先使用硅的產品相比，可使電力損耗削減85%左右(圖6)。

圖6　羅姆開發及開始量產的全碳化硅功率模塊

　　應用研究日趨活躍

　　新一代功率半導體雖然性能出色，但成本較高。因此在投入實用時，系統成本較高的大型設備易于加以采用。其代表例子就是鐵路車輛。

　　三菱電機已將利用碳化硅功率元件的鐵路車輛逆變器裝置產品化，并實際配備在東京地鐵銀座線的1節車輛上，于2012年2月開始進行試運行(圖7)。三菱電機稱，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、目前正在試運行的東京地鐵銀座線的車輛。右側為逆變器裝置。

　　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%。這是因為冷卻機構可實現小型化等。

　　東芝目前也在進行同樣的研究，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，結合利用永磁同步馬達，大約可取得20%的節能效果。東芝稱，也預定在2012年年內配備到實際鐵路車輛上進行試運行。

　　汽車廠商也非常關注

　　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體，實現部件的小型化及高效化。

　　豐田第3電子開發部(當時)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點之一，在于可實現功率模塊的小型化。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年進行了行駛試驗。本田技術研究所也試制出了“全碳化硅”高輸出功率模塊，將轉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。日產和本田技術研究所均是與羅姆共同進行研究。

　　應用領域范圍全面擴大

　　除了汽車廠商以外，還有其他企業也在研究將新一代功率半導體應用于純電動汽車。馬達和逆變器裝置等領域的大型廠商安川電機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，并在2011年1月舉行的展會上展出。三菱電機也于2012年3月，公布了碳化硅逆變器與馬達合為一體的純電動汽車驅動系統(圖8)。

圖8　三菱電機開發的逆變器一體型純電動汽車馬達系統

　　輸出為70千瓦，與該公司原有產品相比，體積減小一半。右側為內部。可看見逆變器基板。此外，三菱電機和意法半導體還在研究將碳化硅應用于太陽能電池功率調節器及微逆變器。這些都是將太陽能電池的直流輸出轉變為交流的裝置。通過將硅功率元件改為碳化硅元件，就可使電力轉換時產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電量直接相關，因此有很大的效果。

　　最近備受關注的事例還有在無線供電系統中采用碳化硅。羅姆在2011年10月的展會上展出了相關產品，在電場耦合方式的50瓦無線供電裝置發送端逆變器上使用了碳化硅晶體管(MOSFET)。逆變器的轉換效率高達95%。

　　還有一些奇特的事例，例如在音響系統的電源中使用了碳化硅。高級汽車音響企業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行了演示。碳化硅二極管由于響應速度快，因此易于配合音量變化等負荷變動。并且，由于結晶缺陷較少，可抑制漏電流，減少白噪音。