1 前言
控制电能的电力电子（PE）技术，主要包括半导体变流技术和半导体电力变换技术两方面。PE 技术在基础产业中的重要性日显突出。对用于 PE 装置的Si功率半导体器件也不断要求高性能化。特别由于地球升温问题的倍受关注，CO2 的排放为地球暖化的主因，为消减 CO2 排放，实现半导体器件的低损耗化已成为当前的热门研究课题。为此，要使半导体器件的损耗小，就需采用新的器件结构，以实现 Si 半导体器件低损耗化及高速化。但是，近期在高功率、低损耗、高频率特性方面，针对 Si 材料物理性质的局限，应考虑到实现低损耗和高性能还存在一定的困难，既要突破硅的物理性质的限制，又要能适应未来需要的大幅度改善特性，必须采用比硅具有更佳物理特性的宽能隙功率半导体元件，对此进行开发是非常有效的措施。
所谓宽能隙半导体，有 GaN（氮化镓）、SiC（碳化硅）、金刚石等。而目前在单结晶基板制作技术及加工工艺方面，SiC 已领先于其它的宽能隙半导体。作为功率半导体的 SiC 是最引人注目的。SiC 的绝缘击穿电压比 Si 约高 8~9 倍，半导体器件的高耐压、低损耗化性能优。而且，在 4H-SiC 场合下，能带宽度为 32ev（1ev=1.60207×10-19焦耳），比硅（Si）约大三倍，故可实现高温操作。由于这种物理性质上的特征，对 SiC 半导体器件进行了精心开发。SiC 二极管早在 2001 年已上市，随后 SiC半导体器件又被装入逆变器中，且其应用效果良好。
开发的高耐压SiC 半导体器件装入逆变器以后，对电力变换装置各种可能的电流容量均适用。而且作为 SiC逆变器，已成功达到世界最高的容量。下面对此予以介绍。
2 高耐压 100A 级 SiC 功率半导体器件
2.1 半导体器件及模块结构
已经开发的 SiC GT（碳化硅换向门极可关断晶闸管）的断面图示于图1，SiC GT 为 ρn        ρn         4 层晶闸管结构。半导体中因载流子浓度的变化引起半导体电导率的变化，通过电导率的调制，即使在耐高压情况下，也能达到低的通态电压。而且，由于设置了埋入式门极区，门极阻抗下降；同时，因极力减小了门极配线的寄生电感，故能从门极注入高速的电流。可望实现高速的关断（turn-off）。因此，要使逆变器大容量化，必须使其大电流化以及 SiC GT 的大面积化。对于 SiC，基板上结晶缺陷多，难于大面积化，但作为SiC开关元件现已开发世界最大级，8mm 见方的 SiC GT 器件。图1所示为这一 SiC GT 的单元结构，图2为其照片。
每个器件内集积了 260 个单元结构。通电电流增大了。但与此同时，电气损耗本身的发热也增加了，故期望开发出在高温下也能操作的模块结构。因此，与 ADEKA 公司共同开发了高耐热绝缘树脂—纳米技术树脂（nanotech-resin）。这一树脂是由一种聚硅氧烷（德文polysiloxau）构成的聚合物，属热硬化型树脂，虽硬化后仍能保持其柔软性。而且，在 400℃ 以下的广阔温度范围内，能保持优良的电气绝缘性能。由此，在实现大容量化之际，SiC半导体器件可充分发挥本来具有的高耐热性能。图3 所示为 SiC GT 模（组）件断面及其照片。采用了旨在能耐高热的金属壳形组件，为防止氧化，组件上覆盖有金属镀层。对于 SiC GT 模件的其它元件，还同时开发了内装的SiC二极管作为续流二极管，再用 kA100 高耐热绝缘树脂封固。
图 3  SiC GT 模（组）件
2.2 电气特性
已开发的 8mm 见方 SiC GT 的电气特性，如图4~图6中所示。图4 为 SiC GT 耐电压特性及其与温度的关系。研制成的 SiC GT 在室温下具有 5kV 以上的耐压能力。由于纳米技术的 kA100 树脂粘附力强，甚至在硅树脂不能达到的 250℃ 高温下，也具有 4.5kV 的耐（电）压性能。泄漏电流能减小到 4×10-6A/cm2 以下。
图5 所示为 SiC GT 的输出特性。在 120A/100℃ 以上时，通态电压可为 5V 以下，与市售的 4.5kV SiC GT 额定电流时的通态电压处于同一水平。图6 为电抗器负荷时 SiC GT 的关断波形。直流电压为 2kV，作为 SiC 开关元件，成功实现了最大 250A 的关断操作。积蓄时间 1.46μs，下降时间 0.24μs，关断时间为 1.7μs。相对于 Si-GTO（硅可关断晶闸管），达到了 10 倍以上的高速度。相对于 Si-IGBT（硅-绝缘栅双极晶体管），约为 2 倍的高速。而且，关断时间还曾达到 0.3μs。这就实现了大幅度的高速。SiC GT 相对于 Si-IGBT 和 Si-GTO，额定电流时的通态电压均属同等水平。由于开关时间很短导致的显著加速，故可望实现低损耗化。
3 SiC 逆变器
使用 SiC GT 模件试制成由直流变交流的三相逆变器，主电路结构如图7 所示。SiC GT 关断时的耐热度提高，因而 dv/dt 对电机绝缘的耐受能力也提高，故未设置与模件并联的电容器，力求实现无缓冲电路化（snubberless）。但是，为减轻因 SiC GT 关断时局部发热导致的损坏，使用了阳极电抗器。图8 为 SiC 三相逆变器装置的外观照片。对于该装置，已装入 SiC 模（组）件的叠块每相 1 套，合计内装 3 套。而且直流电源等也装入。电力变换部分的体积为该装置体积的 1/3 左右。SiC GT 模件因具有 250℃ 以上的耐热性，比较同容量的 Si-IGBT 逆变器，散热器能小型化。逆变器操作时的输出线电压及输出电流的波形示于图9。载波频率（2kHz）与高耐压 Si-IGBT 使用时的相同。输出功率已达到 110kVA。图10为SiC逆变器输出容量的进展过程。自 1999 年试制 SiC 逆变器以来，逐年均在向大容量化推进。最近开发的 110kVA SiC 逆变器已创造世界最高的大容量输出记录。
4 结束语
开发了世界最大级 4.5kV、120A SiC GT，以及耐热温度 400℃ 的高耐热绝缘树脂-纳米技术树脂 k100。并采用由这些树脂封盖的 SiC GT 模（组）件。试制了高压、高频三相逆变器。藉助已开发的高耐热绝缘树脂，即使在SiC本来的高温下，也可能使用模（组）件，散热装置可小型化，并能达到 110kVA 世界最大的功率。今后，在 SiC 逆变器更进一步大容量化的同时，应进行长期的实验评估，力求确保其工作的可靠性。