碳化硅赋予IGBT新生命

摘要：本文回顾了硅基IGBT的发展历程，并聚焦碳化硅（SiC）材料赋能IGBT的最新研究进展，尤其是北卡州立大学团队对15kV SiC IGBT的实验验证，展示了其在中压智能电网和电能转换中的潜力，预示着IGBT在宽禁带材料支持下可拓展至更高压等级的未来应用。

本文回顾了硅基IGBT的发展历程，并聚焦碳化硅（SiC）材料赋能IGBT的最新研究进展，尤其是北卡州立大学团队对15kV SiC IGBT的实验验证，展示了其在中压智能电网和电能转换中的潜力，预示着IGBT在宽禁带材料支持下可拓展至更高压等级的未来应用。

关键词：SiC IGBT, 中压电力转换, 研究进展

自1982年由通用电气（GE）首次展示以来，硅基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在过去40余年中经历了显著的演进。

尽管最初由GE率先实现商业化，东芝随后解决了IGBT的闩锁问题，从而扩大了其在电力电子领域的应用范围。此后，众多厂商陆续加入竞争，推动该器件在电能转换与电机驱动等领域的广泛采用。截至目前，全球约有20家IGBT供应商，市场规模已从最初的几百万美元增长至数十亿美元。主要厂商包括英飞凌、三菱电机、富士电机、东芝、安森美、ABB、意法半导体、瑞萨电子、赛米控和德州仪器等。

与此同时，IGBT在器件结构设计、封装技术及热管理方面也持续取得进步，使其电流与电压等级不断提升，并具备更高的可靠性。目前，IGBT的击穿电压已从600 V扩展至6,500 V，电流承载能力从最初的10 A提升至超过2,000 A。如今，IGBT已成为电动汽车和混合动力汽车中不可或缺的功率晶体管，并广泛应用于工业与消费类电机系统中。它在我们日常生活中随处可见，助力提升能效与电力系统的可靠性：包括医院中的X射线、CT、MRI等医学诊断设备，厨房里的微波炉与电磁炉，家用和楼宇的空调及制冷设备，以及便携式除颤器等关键医疗设备——后者得益于IGBT的技术实现，正每年挽救无数生命。得益于IGBT持续增强的性能能力，当前基于IGBT的功率变换器和逆变器几乎主导了所有主流应用，其功率等级范围覆盖从1 kW至约10 MW。

1 拥抱碳化硅技术

然而，硅基IGBT并非适用于所有应用。随着碳化硅（SiC）技术日趋成熟，其相关器件的性能也同步提升。在固态变压器（SST）、高压直流（HVDC）转换器，以及其他军用与工业高/中压系统中，对具备高电压承受能力、高电流输出能力且能在高频下工作的高效器件提出了新的要求，这些需求正是SiC器件的优势所在。

过去十余年中，碳化硅器件持续推动功率MOSFET和肖特基二极管的性能极限，在功率转换系统与电机驱动领域树立了新标杆，使许多硅器件难以胜任的关键应用成为可能。正因如此，SiC功率半导体市场规模已达数十亿美元，且增长势头强劲。市场研究机构Yole Group预测，到2029年，SiC功率器件市场规模将达到100亿美元，2023至2029年期间的复合年增长率（CAGR）高达24%。

因此，与MOSFET相似，IGBT也必须借助宽禁带半导体的优势，以提升自身性能并拓展其应用边界。这也促使部分研究人员与IGBT制造商启动了从硅向碳化硅过渡的探索。早在十余年前，一些研究团队就已着手研究SiC IGBT的潜力。美国北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程系Duke Energy杰出教授、FREEDM系统工程研究中心与PowerAmerica研究所创始成员Subhashish Bhattacharya及其团队，十多年来一直致力于高压SiC IGBT的性能研究与应用开发，研究样品来自Cree（现为Wolfspeed）。

2 15kV SiC IGBT性能研究

早在2010年，Bhattacharya团队在美国能源部高级研究计划署（ARPA-E）资助下，便开始研究由Cree开发的15kV SiC IGBT（见图1）。该团队不仅评估了该器件的性能，还与10-kV SiC MOSFET进行对比，并成功构建了完整的中压固态变压器系统及其他中压电能转换装置。在开发这些应用之前，研究人员首先对该SiC IGBT的器件特性进行了深入分析，研究成果发表于2013年IEEE能源转换大会（ECCE）上，论文题为《15 kV SiC n型IGBT的特性研究及其在高功率变换器中的应用考量》。

在该论文中，团队首次公开了15kV、20A n型IGBT的实验数据，涵盖开通/关断过程中的特性变化，测试电压高达11 kV。文中指出，这是当时已公开报道中单一功率器件所达到的最高开关测试电压。研究结果不仅揭示了功率损耗与电压、电流和温度之间的关系，还比较了SiC IGBT与SiC MOSFET的开关特性（见表1，数据来源：Kadavelugu等人，2013年）：