第2講：三菱電機(jī)SiC器件發(fā)展史

三菱電機(jī)從上世紀(jì)90年代已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)SiC相關(guān)的研發(fā)工作。最初階段，SiC晶體的品質(zhì)并不理想，適合SiC的器件結(jié)構(gòu)和制造工藝仍處于探索階段，但研發(fā)人員堅(jiān)信SiC MOSFET是能夠最大限度發(fā)揮SiC材料優(yōu)異物理性能的器件，因此一直致力于相關(guān)研發(fā)。

三菱電機(jī)于2003年開(kāi)發(fā)出耐壓2kV的小芯片SiC MOSFET，并于2005年開(kāi)發(fā)出耐壓1200V、電流10A的SiC MOSFET樣片。對(duì)10A的SiC MOSFET進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性評(píng)估，結(jié)果表明，與Si IGBT相比，開(kāi)關(guān)損耗可顯著降低。隨后，三菱電機(jī)繼續(xù)開(kāi)發(fā)大電流芯片、3.3kV高耐壓芯片以及集成各種功能的SiC MOSFET器件，并將持續(xù)致力于開(kāi)發(fā)高性能、高可靠性且易于使用的SiC MOSFET器件。

三菱電機(jī)集團(tuán)內(nèi)部擁有器件開(kāi)發(fā)、電力電子應(yīng)用開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等部門。利用這一優(yōu)勢(shì)，三菱電機(jī)在開(kāi)發(fā)SiC芯片的同時(shí)，也率先著手開(kāi)發(fā)SiC MOSFET逆變器。2007年，制造了應(yīng)用SiC MOSFET的3.7kW逆變器，結(jié)果顯示可將逆變器損耗降低50%。2009年，制造出了11kW和20kW逆變器，根據(jù)驅(qū)動(dòng)條件的不同，逆變器損耗可降低70-90%。這一時(shí)期，SiC晶圓的品質(zhì)得到加速改善，SiC工藝相關(guān)技術(shù)知識(shí)也在不斷積累，大家對(duì)SiC功率器件的實(shí)際期望也在不斷提高。然而，由于擔(dān)心柵極氧化膜的可靠性，一些制造商對(duì)SiC MOSFET仍持懷疑態(tài)度。

圖3：SiC逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的試驗(yàn)平臺(tái)

三菱電機(jī)很早就開(kāi)始著手SiC器件應(yīng)用的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。2010年，三菱電機(jī)率先將采用SiC SBD的混合DIPIPM?應(yīng)用到空調(diào)產(chǎn)品中并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。2011年，開(kāi)發(fā)出1200A/1700V的大功率混合SiC模塊，并將其應(yīng)用于地鐵的主逆變器中。關(guān)于SiC MOSFET，三菱電機(jī)于2013年將3.3kV全SiC模塊成功應(yīng)用于軌道車輛主逆變器中，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。3.3kV全SiC模塊已應(yīng)用于包括高速列車在內(nèi)的眾多軌道車輛主逆變器中，并已投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。此外，三菱電機(jī)分別于2015年和2016年，將SiC MOSFET成功應(yīng)用到工業(yè)用IPM和家電用DIPIPM?中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，有助于降低系統(tǒng)的損耗。尤其是SiC MOSFET在軌道車輛主逆變器中的應(yīng)用，對(duì)行業(yè)產(chǎn)生了巨大影響，并加速了SiC MOSFET的產(chǎn)品化和普及。

圖7：家電用15A、25A/600V全SiC DIPIPM?

關(guān)于三菱電機(jī)SiC器件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)線，三菱電機(jī)于2000年建立了2英寸和3英寸的生產(chǎn)線，在2009年建立了4英寸生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化。在2010年代后期，建立了6英寸生產(chǎn)線，也是目前的主要生產(chǎn)線。未來(lái)，晶圓供應(yīng)商和設(shè)備制造商都希望轉(zhuǎn)向8英寸晶圓生產(chǎn)線，三菱電機(jī)也正在開(kāi)發(fā)8英寸生產(chǎn)線，計(jì)劃于2026年開(kāi)始運(yùn)行。今后，隨著SiC器件在電動(dòng)汽車、新能源等市場(chǎng)領(lǐng)域的大幅擴(kuò)大，8英寸生產(chǎn)線的投入將有望大幅降低成本、提高生產(chǎn)效率。