从简单的二极管起步实现实用化

　　碳化硅功率元器件的开发在分为二极管和晶体管2个阶段进行。二极管的结构较为简单，易于制造。首先公布产品的是德国英飞凌科技公司(Infineon Technologies)，时间为2001年。如今在日本国内，有三菱电机、罗姆等7家企业涉足该领域，包括海外在内，目前有10多家企业进入了该领域，已经推出多种产品(表1)。

表1　从事碳化硅功率元件或功率元件碳化硅基板业务的主要企业

　　另一方面，晶体管仍处于开发阶段。虽然有企业宣布已经实现产品化，但似乎仅能用于部分用途。最大的问题在于其结构较为复杂，难以生产，以及成本较高。

　　据称，仅将利用硅半导体制造的逆变器的二极管部分改为碳化硅，即可使能量损失削减15～30%。不光是二极管，如果将晶体管也改为碳化硅，损失可降低到50%以下。根据具体用途，有时会取得更好的效果。

　　例如，罗姆从今年开始生产的碳化硅功率模块，其二极管和晶体管均使用了碳化硅，该公司称，与原先使用硅的产品相比，可使电力损耗削减85%左右(图6)。

图6　罗姆开发及开始量产的全碳化硅功率模块

　　应用研究日趋活跃

　　新一代功率半导体虽然性能出色，但成本较高。因此在投入实用时，系统成本较高的大型设备易于加以采用。其代表例子就是铁路车辆。

　　三菱电机已将利用碳化硅功率元件的铁路车辆逆变器装置产品化，并实际配备在东京地铁银座线的1节车辆上，于2012年2月开始进行试运行(图7)。三菱电机称，将利用碳化硅功率元件的铁路逆变器装置投入实用，这“在全球尚属首例”。

图7　配备使用碳化硅二极管的逆变器装置、目前正在试运行的东京地铁银座线的车辆。右侧为逆变器装置。

　　所利用的功率元件是碳化硅二极管。与使用硅二极管相比，能够使整个铁路车辆系统的能量损失削减30%左右。并且，逆变器的体积及重量均可削减约40%。这是因为冷却机构可实现小型化等。

　　东芝目前也在进行同样的研究，通过使用碳化硅二极管，可使逆变器装置的体积削减60%左右，结合利用永磁同步马达，大约可取得20%的节能效果。东芝称，也预定在2012年年内配备到实际铁路车辆上进行试运行。

　　汽车厂商也非常关注

　　众所周知，混合动力车“普锐斯”上使用了比1枚6英寸晶圆还大的半导体。其中大部分为绝缘栅双极型晶体管及功率MOSFET等功率半导体。汽车厂商正在积极提高混合动力车和纯电动汽车等电动汽车的比例，目前正在探讨可否利用新一代功率半导体，实现部件的小型化及高效化。

　　丰田第3电子开发部(当时)的滨田公守在2012年1月举行的研讨会上谈到，碳化硅功率元件的优点之一，在于可实现功率模块的小型化。例如，他推算，智能功率模块(intelligent power module)如果利用碳化硅功率元件，体积便可缩小到原先的2/3～1/3。

　　日产汽车试制出采用碳化硅二极管的逆变器电路，配备在燃料电池车“X-TRAIL FCV”上，并于2008年进行了行驶试验。本田技术研究所也试制出了“全碳化硅”高输出功率模块，将转换器和逆变器所使用的二极管及晶体管全部由硅制改为碳化硅制。日产和本田技术研究所均是与罗姆共同进行研究。

　　应用领域范围全面扩大

　　除了汽车厂商以外，还有其他企业也在研究将新一代功率半导体应用于纯电动汽车。马达和逆变器装置等领域的大型厂商安川电机公司试制出了利用碳化硅功率元件的纯电动汽车行驶系统，并在2011年1月举行的展会上展出。三菱电机也于2012年3月，公布了碳化硅逆变器与马达合为一体的纯电动汽车驱动系统(图8)。

图8　三菱电机开发的逆变器一体型纯电动汽车马达系统

　　输出为70千瓦，与该公司原有产品相比，体积减小一半。右侧为内部。可看见逆变器基板。此外，三菱电机和意法半导体还在研究将碳化硅应用于太阳能电池功率调节器及微逆变器。这些都是将太阳能电池的直流输出转变为交流的装置。通过将硅功率元件改为碳化硅元件，就可使电力转换时产生的能量损失降低几个百分点。虽说只有几个百分点，但由于与太阳能电池的发电量直接相关，因此有很大的效果。

　　最近备受关注的事例还有在无线供电系统中采用碳化硅。罗姆在2011年10月的展会上展出了相关产品，在电场耦合方式的50瓦无线供电装置发送端逆变器上使用了碳化硅晶体管(MOSFET)。逆变器的转换效率高达95%。

　　还有一些奇特的事例，例如在音响系统的电源中使用了碳化硅。高级汽车音响企业Bewith公司在2011年12月的东京车展上，展出了与新日本无线公司共同开发的配备了碳化硅二极管的功率放大器，并实际安装到汽车上进行了演示。碳化硅二极管由于响应速度快，因此易于配合音量变化等负荷变动。并且，由于结晶缺陷较少，可抑制漏电流，减少白噪音。