轨道交通碳化硅器件研究进展

李诚瞻，周才能，秦光远，宋 瓘，陈喜明

（1.株洲中车时代半导体有限公司，湖南株洲 412000；2.新型功率半导体器件国家重点实验室，湖南株洲 412000）

1 引言

随着轨道交通的高速发展，电能消耗逐渐成为轨道交通车辆运营的关注重点，为此，轨道交通牵引变流系统对功率半导体器件的性能、效率、损耗、体积、寿命和成本等方面提出了更高要求[1-3]。碳化硅（SiC）宽禁带半导体材料具有高临界场强、高载流子饱和速度和高热导率等优势，使得SiC 金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等功率半导体器件具备更大电流密度、更快开关速度、更低开关损耗和更高工作温度等优点，有助于轨道交通牵引变流系统小型化、轻量化发展，在轨道交通车辆运营的绿色节能要求下具有显著应用优势[3-6]。

随着SiC MOSFET 器件的结构设计、制造工艺、模块封装等关键技术不断取得突破[7-10]，SiC 器件在轨道交通领域的应用主要有两种技术方案：混合SiC模块和全SiC 模块[3,11]。以SiC 肖特基势垒二极管（SBD）和Si 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成的混合SiC 器件性能和可靠性在轨道交通牵引变流系统和辅助变流系统中被大量验证和应用[12]，以三菱和中国中车为代表的主要SiC 功率器件厂商正在推进具有更优性能的全SiC 模块的研发、验证和推广[13]。

本文对轨道交通领域SiC 芯片和模块技术等方面的研究现状进行分析和论述，总结该领域的发展趋势，为轨道交通用高压SiC 器件的进一步研究和应用提供参考。

2 轨道交通SiC 芯片

SiC 宽禁带半导体材料相对于其他半导体材料所具有的性能优势如表1 所示。

表1 轨道交通功率器件不同半导体材料的特性对比

轨道交通牵引变流系统对功率半导体器件电压等级的需求，根据应用要求和供电的不同，需要1.7～6.5 kV 等级功率半导体器件，包括Si IGBT，Si 快恢复二极管（FRD），Si 晶闸管（Thyristor），Si 门可关断晶闸管（GTO），SiC MOSFET 和SiC SBD 等[14]。表2 列举了SiC 功率器件作为Si 功率器件替代的潜在技术方案。在1.7～3.3 kV 电压范围，以SiC 单极器件（如SiC MOSFET 和SiC SBD）替代Si 双极器件（如Si IGBT 和Si FRD），既可以降低导通损耗，又可以提升开关速度和降低开关损耗。当电压达到6.5 kV，SiC MOSFET 比导通电阻Ron,sp和导通损耗显著增加（见图1），所以双极器件SiC IGBT 或SiC GTO 可获得更高的电流能力，更具性能优势[15]。

图1 功率器件Ron,sp 与击穿电压的关系[15]

表2 轨道交通应用领域SiC 器件替代Si 器件的潜在方案[14]

2.1 SiC MOSFET

作为电压驱动型功率开关器件，SiC MOSFET 具有栅极驱动简单、功率密度大、转换效率高等特点，是轨道交通牵引变流系统的核心器件。从栅结构看，SiC MOSFET 可分为平面栅 MOSFET 和沟槽栅MOSFET，两者的主要区别在于前者导电沟道平行于器件表面，后者则垂直于器件表面，SiC MOSFET 剖面结构如图2 所示。平面栅MOSFET 结构由P-Well 形成的PN 结扩展，对栅氧化层底部形成电场保护，栅氧化层承受更低电场，有利于制作耐压更高的SiC MOSFET，非常符合轨道交通牵引对SiC 器件耐高压大电流的需求[16]。

图2 SiC MOSFET 剖面结构

SiC MOSFET 作为一种单极性器件，在器件导通路径上没有PN 结的存在，与IGBT 器件相比，SiC MOSFET 的I-V 特性曲线不存在开启电压（约0.7 V），仿真对比如图3 所示。因此，当变流系统处于中小功率运行状态时，SiC MOSFET 有更低的导通压降，从而有更低的器件通态损耗[17]。在开通关断过程中，SiC MOSFET 作为一种多子器件，不存在少子复合，在关断过程没有拖尾电流，相比Si IGBT 具有更快的开关速度和更低的开关损耗，从而使得SiC MOSFET 器件有更高的开关频率，两者仿真对比如图4 所示[17]。

图3 3.3 kV SiC MOSFET 与3.3 kV Si IGBT 正向I-V 特性仿真对比

图4 3.3 kV SiC MOSFET 与3.3 kV Si IGBT 关断过程特性仿真对比

自2002 年美国普渡大学首次报道其研制的高压SiC MOSFET 器件（耐压级别达到3.3 kV）以来[18]，高压SiC MOSFET 器件得到长足的发展。表3 列举了近年来部分典型高压SiC MOSFET 器件[18-27]。2015 年，日本三菱公司报道了高性能平面栅3.3 kV SiC MOSFET器件及全SiC 模块产品，并在全世界首次将全SiC 模块应用到轨道交通牵引变流系统中[21]。其SiCMOSFET器件采用JFET 掺杂技术，耐压级别达到3.3 kV，导通电流达到94 A。2014 年以来，美国科锐公司报道了系列化高压SiC MOSFET 器件，耐压级别从3.3 kV 到15 kV 不等[20]，既可以满足轨道交通领域应用，还可以覆盖高压电网等领域。

表3 近年来典型高压SiC MOSFET 器件

2019 年，中车时代半导体公司开发出3.3 kV/32 A SiC MOSFET 芯片，其晶圆及导通特性如图5 所示。该芯片基于平面栅技术，芯片Ron,sp=23 mΩ·cm2，满足3300 V/500 A 全SiC 模块封装需求[14]。2020 年，该公司开发出新一代3.3 kV/47 A SiC MOSFET 芯片，其晶圆及导通特性如图6 所示。该器件采用JFET 深掺杂技术，并优化了元胞结构，Ron,sp≈17 mΩ·cm2，相比上一代芯片降低了26%，可满足3300 V/750 A 全SiC 模块封装需求[14]。

图5 中车时代半导体3.3 kV/32 A SiC MOSFET 晶圆及导通特性

图6 中车时代半导体3.3 kV/47 A SiC MOSFET晶圆及导通特性

2021 年，日本AIST 在ISPSD 会议上报道了其开发的3.3 kV 超结SiC MOSFET 器件[27]，已报道的3 种结构如图7 所示。AIST 通过28 次外延形成的超级结，并结合沟槽栅技术，将器件的Ron,sp降至约为3.3 mΩ·cm2（图8），为已有报道中3.3 kV SiC MOSFET 器件最低的Ron,sp。目前，高压超结SiC MOSFET 器件技术尚不成熟，成本高且结构复杂，但其性能优势极具吸引力，将加快推动轨道交通领域SiC MOSFET 技术的发展和应用验证。

图7 3.3 kV SiC MOSFET 结构对比

图8 3.3 kV SiC MOSFET 阈值电压Vth 和Ron，sp 温度特性对比[27]

2.2 SiC SBD

SiC SBD 是以SiC 材料为基础的肖特基势垒二极管，具有高压、高频、低损耗等优势，是轨道交通牵引变流系统的重要组成芯片。由于SiC 有击穿电场高的优势，SiC SBD 能达到3.3 kV 及以上耐压性能，符合轨道交通领域高耐压应用需求。SiC SBD 具有反向恢复速度快、关断损耗低、工作温度高等性能优势，肖特基二极管从结构上可分为平面型SBD、平面型JBS 和沟槽型JBS 结构，3 种结构如图9 所示。在传统的SBD结构基础上，平面型JBS 结构引入了注入P+区，沟槽型JBS 结构则更进一步使P+区变成沟槽结构。图10对比了3 种肖特基二极管的正向I-V 和反向耐压特性[28]。其中，沟槽型JBS 结构的反向漏电流最小，而平面型SBD 的正向压降最小。

图9 肖特基二极管结构

图10 SiC 平面型SBD、平面型JBS 和沟槽型JBS 对比[28]

图11给出了3.3 kV SiC SBD 和SiC PIN 二极管在25 ℃的正向导通I-V 特性，SiC SBD 器件开启电压相对较低，符合应用需求。SiC SBD 作为多子器件，在反向恢复过程不存在少数载流子复合，只有小量的电容充放电影响，可以在极短的时间内实现反向恢复，且SiC SBD 反向恢复电流IA几乎可以忽略不计，反向恢复特性如图12 所示[29]。因此，将SiC SBD 作为轨道交通牵引变流器的续流二极管，既可以大幅提升开关速度，显著降低开关损耗，又可以增大电流输出能力。

图11 3.3 kV SiC SBD 与SiC PIN 二极管正向导通I-V 特性比较（25 ℃）[29]

图12 3.3 kV SiC SBD 与SiC PIN 二极管反向恢复特性比较（25 ℃和300 ℃）[29]

表4 列举了近年来部分典型高压SiC SBD 芯片的性能[30-36]。2000 年，日本Kansai EP 公司报道了其研发的高压SiC SBD，芯片耐压达到3.7 kV[30]，2016 年NCSU 开发了耐压级别达15 kV 的高压SiC SBD[34]。国内中国电科、中车时代半导体等企业也都有报道面向轨道交通牵引变流系统应用的3.3 kV SiC SBD，图13 为中车时代半导体3.3 kV/47 A SiC SBD 芯片晶圆和I-V 特性曲线图[37]。

表4 近年来典型高压SiC SBD 器件

图13 中车时代半导体研制的3.3 kV/47 A SiC SBD 晶圆及导通特性[37]

2.3 轨道交通SiC 芯片发展趋势

利用SiC 高击穿电场的材料优势，在相同耐压性能前提下，SiC 单极器件可以带来更低的导通损耗和开关损耗，以及更高工作温度等性能提升。但是，要满足轨道交通领域对高压、大电流和高可靠性的要求，SiC 器件在材料、制造、封装和测试等多方面均存在不小的挑战。

2.3.1 平面栅和沟槽栅

从栅结构看，SiC MOSFET 可分为平面栅MOSFET 和沟槽栅MOSFET[38-39]。两者主要区别在于前者导电沟道平行于器件表面，后者垂直于器件表面。相对于平面栅MOSFET，沟槽栅MOSFET 由于消除了JFET 区的电阻，并且具有更高的沟道载流子迁移率，有更高的元胞密度和更大的电流密度。另一方面，突出的沟槽底部栅氧层（SiO2）承受更大的电场，容易导致栅氧可靠性问题，而且沟槽刻蚀工艺复杂，制造难度大。表5 给出了部分典型功率器件厂商的SiC MOSFET 栅结构技术。面向轨道交通领域，三菱等厂商采用平面栅技术开发3.3～6.5 kV SiC MOSFET，英飞凌的高压SiC MOSFET 则采用沟槽栅技术。在轨道交通领域，平面栅SiC MOSFET 相比Si IGBT 的开关损耗具有明显优势，应用沟槽栅技术，SiC MOSFET将大幅降低导通损耗，在开关损耗和导通损耗等方面全面建立性能优势。可以预见，随着沟槽栅对栅沟槽氧化层保护技术的发展和耐压能力的持续提升，沟槽栅SiC MOSFET 的电流密度优势将得到发挥，在轨道交通领域获得进一步验证和应用。

表5 部分厂商高压SiC MOSFET 器件栅结构技术

2.3.2 芯片集成

2018 年，三菱报道了新一代全SiC 模块，将SiC SBD 和SiC MOSFET 集成到同一芯片上，结构如图14 所示[41]。集成SiC SBD 的SiC MOSFET 在肖特基结区域引入N 注入，形成较低的SiC SBD 正向压降和较高的电流输出能力，可在一定电流范围内避免SiC MOSFET 寄生双极体二极管导通和双极退化问题。从芯片角度看，集成SiC SBD 的SiC MOSFET 相比传统的SiC MOSFET 芯片面积有所增加，但相比传统的SiC MOSFET 及外置SiC SBD 芯片的方案要节约SBD 芯片终端区和划片道区面积。因此，基于集成SiC SBD 的SiC MOSFET 模块可以在相同面积上布置更多芯片，从而具有更大的电流能力。三菱基于其提出的集成SiC SBD 的SiC MOSFET 结构，研制出6.5 kV SiC MOSFET 芯片和对应的全SiC 模块样品。与传统的6.5 kV Si IGBT 模块相比，全SiC 模块在导通损耗Eon、关断损耗Eoff和开关损耗Erec上均大幅下降，总损耗降低为原来的1/10，性能对比如图15 所示[41]。基于集成SiC SBD 的SiC MOSFET 的全SiC 模块相比传统外置SiC SBD 的全SiC 模块，导通损耗和开关损耗分别下降了18%和80%。得益于内置SiC SBD 良好的电流能力和导通压降，模块的开关损耗下降非常明显，仅为传统SiC 模块的1/5。2021 年，中车时代半导体报道了集成SiC 肖特基二极管的高压3.3 kV SiC MOSFET，实现更优的电流密度和更低损耗[42]。

图14 外置和集成SiC SBD 的SiC MOSFET 结构[41]

图15 三菱6.5 kV 全SiC 模块（基于内嵌SiC SBD 的SiC MOSFET）和普通外置SiC SBD 的全SiC 模块性能对比[41]

2.3.3 栅氧和沟道迁移率

SiC 可以直接通过氧化形成栅氧层（SiO2）以及SiC/SiO2界面，但SiC 氧化形成的SiO2层里存在的电荷和缺陷，使得SiC/SiO2界面质量也成为限制SiC MOSFET 性能的重要因素。与Si/SiO2界面相比，SiC/SiO2界面缺陷密度高1～2 个数量级[41]，导致SiC MOSFET 器件沟道载流子迁移率降低，阈值电压漂移更加严重。受禁带宽度影响，SiO2和SiC 间的势垒比SiO2和Si 间的势垒更低，更容易发生热电子隧穿而造成SiC 器件栅极失效，尤其在高温下工作时情况更突出[38]。SiC 器件栅结构改进和栅氧技术优化是解决SiC MOSFET 器件性能和可靠性的关键问题之一。

SiC MOSFET 器件电流密度和可靠性的提升需要进一步增强栅氧化层沟道载流子的迁移率。高可靠性栅氧化层具有更高的耐压能力，可以减薄栅氧层，提升沟道迁移率；高沟道迁移率可以在保证电流能力的前提下增加栅氧厚度，降低栅氧电场强度，反哺提升栅氧可靠性。从工艺上改进栅氧生长和退火温度及工艺方法，减少栅极氧化层和SiC/SiO2界面的近界面缺陷，可提升栅氧耐压能力和可靠性[28]。2017 年，日立公司报道在栅氧层边界引入缓冲层来降低栅氧应力，提升栅氧可靠性，其栅极多晶硅由低阻层和缓冲层组成，结合更深的JFET 注入结构，栅氧电场可降低50%以上，芯片失效率降低到0.1 FIT（Failures in Time），栅氧本征寿命可以超过20 年，器件结构和电场强度如图16 和17 所示[8]。

图16 日立高可靠性栅氧层3.3 kV SiC MOSFET 器件结构[8]

图17 日立SiC MOSFET 栅氧层与传统栅氧层电场强度对比[8]

2.3.4 续流二极管

SiC MOSFET 作为开关器件，在关断以后需要元件对回路进行续流。一种续流方案是SiC SBD 作为SiC MOSFET 的续流二极管。SiC SBD 可以外置，与SiC MOSFET 组成全SiC 模块，或者内置在SiC MOSFET 芯片中，节约芯片部分终端区域面积，提升模块电流密度。作为进一步的续流方案，SiC MOSFET利用寄生体二极管进行续流，可大幅节约芯片面积、提升模块电流密度。但是，采用体二极管续流需要解决双极退化问题。体二极管双极退化的一种内在机制是SiC 衬底材料缺陷（基平面位错，BPDs）延伸至外延层形成的堆叠错误（SFs）缺陷在电导流经电流时形成局部载流子陷阱和低电流密度区，降低电流性能，且缺陷随着开关次数和使用时间的增加而扩展，导致芯片导通电阻漂移。科锐公司通过降低材料缺陷等方法，从根本上避免体二极管退化。其开发的3.3 kV SiC MOSFET 体二极管通过1000 h 续流测试，导通压降仅增加1%，测试结果如图18 所示[44]。

图18 科锐3.3 kV/40 A SiC MOSFET 体二极管1000 h 续流过程导通压降特性测试结果（ISD=40 A）[44]

3 轨道交通SiC 模块

轨道交通牵引系统功率容量超过兆瓦级，需要功率半导体器件具备更大容量的电流输出能力，需要多颗芯片并联封装成大容量功率模块。SiC 模块的高频低损特性应用在轨道交通领域时，可实现降低能耗、提高变流器效率与功率密度、提升装备的机动性、灵活性、实现高频化、小型化、轻量化的目标。2015 年，三菱推出世界上首个用于牵引变流器的3.3 kV/1500 A全SiC 模块[21]。经过多年的研究和发展，国内外英飞凌、富士、中车半导体等厂商相继推出适合轨道交通应用要求的SiC 模块[45-46]，据报道国内已有不少于8 条轨道交通线路运行基于SiC 模块的轨道交通车辆[47]。

3.1 混合SiC 模块

轨道交通用混合SiC 模块里包含多个主开关器件（Si IGBT）和适配的续流器件（SiC SBD），由于只替代了续流二极管部分，在提升SiC 模块和牵引变流系统性能与效率的同时没有增加对模块封装的技术要求。利用SiC SBD 单极器件快速开关和无反向恢复电流的优势，达到提升系统开关速度和降低开通损耗的效果，已经成为轨道交通的一种重要解决方案，表6 列举了部分厂商和机构报道的高压混合SiC 模块[47-52]。可以看出，国际上高压混合SiC 模块厂商以日本和中国企业为主，包括日本三菱、富士、日立和中国中车等。2012年，日立开发出适用于1.5 kV 通勤列车的混合SiC 逆变器，使逆变器体积和重量减少40%，损耗降低35%[12]。2014 年，日立混合SiC 模块获得Nishi-Nippon铁路公司订单，实现商用[53]。

表6 近年来部分公司和机构报道的高压混合SiC 模块（Si IGBT+SiC SBD）

混合SiC 模块的技术解决方案也存在一些固有的技术难点，如在SiC SBD 反向恢复的过程中，由于开关速度的不同，存在SiC SBD 芯片和Si IGBT 协同工作的问题，导致混合SiC 模块电磁干扰振荡现象严重，严重的情况下甚至使得主开关器件Si IGBT 器件误开通，直接损坏器件，轻微情况下也将降低混合SiC 模块的可靠性和使用寿命[47]。

国内厂商近几年也相继报道了面向轨道交通的高压混合SiC 模块，中车时代半导体、中国电科13 所等单位纷纷报道了轨道交通3.3 kV 以上混合SiC 模块和芯片[35，47]。

3.2 全SiC 模块

由SiC MOSFET 和SiC SBD 组成的全SiC 模块方案逐步被轨道交通牵引系统接受，3.3 kV 全SiC 模块已经在多家厂商实现产品化，并在轨道交通车辆中得到应用，表7 列举了近年来报道的部分全SiC 模块（SiC MOSFET+SiC SBD）[35-38]。日系厂商在轨道交通用全SiC 模块开发方面最具代表性。其中，日本三菱相继发布了3.3 kV/1500 A 单管、3.3 kV/750 A 半桥全SiC模块以及6.5 kV 半桥全SiC 模块[54]。

表7 近年来部分报道的高压全SiC 模块（SiC MOSFET+SiC SBD）

三菱在2015 年发布了世界上第一个3.3 kV/1500 A全SiC 模块，基于该模块的逆变器相对于传统逆变器体积减少了55%，重量降低了33%。经过在日本新干线N700A 安装运行4 个月，其损耗相比传统逆变器损耗降低40%[21]。2019 年，三菱在ISCRIM 会议上宣称其3.3 kV/750 A 半桥全SiC 模块将在2020 年7 月推出并在新干线N700S 实现装车，成为轨道交通SiC 发展的一个重要里程碑[55]。该模块采用3.3 kV SiC MOSFET+3.3 kV SiC SBD 方案，在导通压降和开关损耗上均有明显优势，在输出750 A 电流时开关损耗仅为传统Si 模块的1/4～1/3（见图19）。

图19 相同封装和电压等级下三菱3.3 kV/750 A 全SiC 模块和Si 模块性能对比[55]

2018 年中车时代半导体报道了3.3 kV/32 A SiC MOSFET 和3.3 kV/450 A 全SiC 模块[58]。2021 年，中车时代半导体基于开源XHP 结构和自主3.3 kV/47 A SiC MOSFET 和SBD 芯片，研制出3.3 kV/750 A 全SiC 模块，其寄生电感约为10nH，导通电阻约为2.3mΩ。其典型开关曲线和动态特性如图20 和表8 所示。

图20 中车时代半导体3.3 kV/750 A 全SiC 模块开关特性曲线（RG(on)=RG(off)=0 Ω，VGS=-5 V/+15 V,VDC=1800 V,ID1=750 A）

表8 中车3.3 kV/750 A 全SiC 模块动态特性（测试条件：VGS=-5 V/+15 V,ID=750 A,VDC=1800 V）

3.3 轨道交通SiC 模块发展趋势

3.3.1 模块结构方案

SiC 功率模块发展的重要因素之一是满足SiC 芯片封装和使用需求。为满足下一代轨道交通应用需求，功率模块的发展由Si IGBT 模块到混合SiC 模块、进一步迭代到性能更优的全SiC 模块将成为必然趋势。与Si IGBT 模块相比，全SiC 模块（SiC MOSFET+SiC SBD 或无SBD）在3.3 kV 级别轨道交通应用中具备显著的竞争优势，成为轨道交通领域SiC 产品发展的热点。

3.3.2 模块封装技术

SiC 器件具有更低的Coss和Qg，开关过程具有更高的dv/dt 和di/dt。这种特性在提高开关速度、降低开关损耗的同时需要模块封装有更低的寄生电感。另一方面，同样的寄生电感条件下，越高的di/dt 会产生越高的关断电压过冲，器件承受的耐压和电磁干扰噪声也越大。因此，开发寄生电感更低的封装技术对于SiC模块具有重要意义，也是模块封装技术发展的趋势。

在轨道交通应用的高压SiC 模块领域，为了降低封装模块的寄生电感，采用叠层母排的设计方法，DC+母排和DC-母排使用叠层的方式排布，利用模块高频开关时回路的互感作用可有效降低模块整体的寄生电感，叠层母排封装结构如图21 所示[58]。优化后的模块寄生电感可以降低至10nH，仿真结果如图22 所示[57]。

图21 3.3 kV/750 A 全SiC 模块叠层母排封装结构

图22 3.3 kV/750 A 全SiC 模块寄生电感仿真结果

对于轨道交通用SiC 模块，需要充分发挥SiC 器件的电流输出能力，进一步降低SiC 模块的热阻，提高固有SiC 模块的电流输出能力。绝缘金属基板（IMB）封装是一种性能优良的新型封装结构，仅包含5 层结构，可以迅速传导芯片热量，比传统陶瓷基板封装的7层结构有更低的热阻，能够有效降低模块热阻，封装结构对比如图23 所示[59]。同时采用IMB 封装衬板结构，通过采取直接灌封工艺可提高SiC 功率模块的功率循环可靠性，功率循环结果如图24 所示。

图23 两种基板封装结构

图24 常规模块和采用IMB 衬板模块的功率循环特性

与Si 器件相比，SiC 器件具有更高的工作结温，同时模块也会有更大范围的温度变化（T 变大）。因此，传统封装形式的材料耐温性，尤其是各层连接界面的可靠性面临巨大的挑战。有研究表明，基于传统封装材料的SiC 器件功率循环考核寿命仅4 万次，约为Si器件寿命的1/2，测试结果如图25 所示[60]。近年来，纳米银和纳米铜烧结技术由于其优异的性能获得了研究人员的青睐。烧结层相比传统焊接层，具有高熔点、高电导率和高热导率等优点，抗温度冲击能力强，模块的可靠性寿命可以大幅提高。日立公司针对银烧结和铜烧结进行了对比研究[60]，结果表明：(1)SiC MOSFET 采用银烧结工艺互联后，功率循环次数可从4 万次提升到约10 万次；(2)铜烧结层在功率循环中具有更稳定的特性，其封装的SiC MOSFET 功率循环次数可进一步提升至25 万次，约为银烧结器件循环次数的2.5 倍，测试结果如图26 所示。图27 展示了SiC MOSFET 功率循环考核试验后，其银烧结界面和铜烧结界面的SEM 结果。可以看出，银烧结层与芯片背面金属层间界面发生部分剥离，而铜烧结界面无明显变化。另一方面，铜烧结层热阻仅为传统焊接层热阻的1/3，可以进一步降低工作结温，增加SiC 模块的输出能力。日立公司针对3.3 kV SiC MOSFET 开发了约20 μm 厚的铜烧结层。相比传统焊接SiC MOSFET 模块，铜烧结SiC MOSFET 模块可提升模块电流容量约15%，结果如图28 所示[56]。

图25 基于传统焊接工艺的3.3 kV SiC MOSFET 和Si 二极管功率循环试验结温差ΔTj 测试结果

图26 基于银烧结和铜烧结工艺的SiC MOSFET 功率循环试验结温差ΔTj 测试结果

图27 基于银烧结和铜烧结工艺的SiC MOSFET 功率循环试验后烧结层界面SEM 照片

图28 铜烧结层对模块电流容量的提升

4 结论

本文对应用于轨道交通的SiC MOSFET、SBD 芯片以及基于SiC 芯片构成的混合SiC 模块、全SiC 模块的研究和应用现状进行了总结，并对其发展趋势及存在的问题进行分析。在不久的未来，随着SiC 晶圆材料成本的降低、SiC 芯片量产和封装技术能力的提升，SiC 芯片和模块必将成为轨道交通应用的主流，这一趋势也将进一步助推轨道交通牵引变流系统向着高频化、小型化、轻量化的方向发展。