第2讲：三菱电机SiC器件发展史

三菱电机从事SiC器件开发和应用研究已有近30年的历史，从基础研究、应用研究到批量商业化，从2英寸、4英寸晶圆到6英寸晶圆，三菱电机一直致力于开发和应用高性能、高可靠性且高性价比的SiC器件，本篇章带你了解三菱电机SiC器件发展史。

三菱电机从上世纪90年代已经开始启动SiC相关的研发工作。最初阶段，SiC晶体的品质并不理想，适合SiC的器件结构和制造工艺仍处于探索阶段，但研发人员坚信SiC MOSFET是能够最大限度发挥SiC材料优异物理性能的器件，因此一直致力于相关研发。

三菱电机于2003年开发出耐压2kV的小芯片SiC MOSFET，并于2005年开发出耐压1200V、电流10A的SiC MOSFET样片。对10A的SiC MOSFET进行动态特性评估，结果表明，与Si IGBT相比，开关损耗可显著降低。随后，三菱电机继续开发大电流芯片、3.3kV高耐压芯片以及集成各种功能的SiC MOSFET器件，并将持续致力于开发高性能、高可靠性且易于使用的SiC MOSFET器件。

三菱电机集团内部拥有器件开发、电力电子应用开发和系统开发等部门。利用这一优势，三菱电机在开发SiC芯片的同时，也率先着手开发SiC MOSFET逆变器。2007年，制造了应用SiC MOSFET的3.7kW逆变器，结果显示可将逆变器损耗降低50%。2009年，制造出了11kW和20kW逆变器，根据驱动条件的不同，逆变器损耗可降低70-90%。这一时期，SiC晶圆的品质得到加速改善，SiC工艺相关技术知识也在不断积累，大家对SiC功率器件的实际期望也在不断提高。然而，由于担心栅极氧化膜的可靠性，一些制造商对SiC MOSFET仍持怀疑态度。

图1：开发初期，三菱电机制造的SiC MOSFET芯片


图2：11kW Si和SiC逆变器尺寸对比


图3：SiC逆变器驱动电机的试验平台

三菱电机很早就开始着手SiC器件应用的系统开发。2010年，三菱电机率先将采用SiC SBD的混合DIPIPM™应用到空调产品中并实现产品化。2011年，开发出1200A/1700V的大功率混合SiC模块，并将其应用于地铁的主逆变器中。关于SiC MOSFET，三菱电机于2013年将3.3kV全SiC模块成功应用于轨道车辆主逆变器中，并实现产品化。3.3kV全SiC模块已应用于包括高速列车在内的众多轨道车辆主逆变器中，并已投入商业化运营。此外，三菱电机分别于2015年和2016年，将SiC MOSFET成功应用到工业用IPM和家电用DIPIPM™中，实现了产品化，有助于降低系统的损耗。尤其是SiC MOSFET在轨道车辆主逆变器中的应用，对行业产生了巨大影响，并加速了SiC MOSFET的产品化和普及。

图4：三菱电机SiC模块发展路线图


图5：三菱电机3.3kV/750A全SiC模块


图6：工业用600A/1200V、1700V全SiC模块


图7：家电用15A、25A/600V全SiC DIPIPM™

关于三菱电机SiC器件的开发和生产线，三菱电机于2000年建立了2英寸和3英寸的生产线，在2009年建立了4英寸生产线并实现了产品化。在2010年代后期，建立了6英寸生产线，也是目前的主要生产线。未来，晶圆供应商和设备制造商都希望转向8英寸晶圆生产线，三菱电机也正在开发8英寸生产线，计划于2026年开始运行。今后，随着SiC器件在电动汽车、新能源等市场领域的大幅扩大，8英寸生产线的投入将有望大幅降低成本、提高生产效率。