在“雙碳”目標和新型電力系統建設推動下，AI算力、儲能、充電樁等新型負荷快速增長，對電網提出了更高要求。特高壓輸電、智能電網等領域迫切需要耐高壓、大功率、高效率的功率半導體器件，為電力系統提供更高效、更可靠的核心支撐。
近日，深圳平湖實驗室聯合國內科技企業，依托自主建設的8英寸碳化硅中試平臺，成功研制出20kV碳化硅IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）及配套FRD（快恢復二極管），突破了超高壓碳化硅器件關鍵技術瓶頸，標志著我國在特高壓碳化硅功率器件領域邁入工程化應用新階段。
此次成果面向6.5kV至20kV高壓應用需求，圍繞8英寸超厚外延生長、厚膜晶圓制造、高壓測試和封裝等關鍵環節開展攻關，實現了20kV等級SiC IGBT/FRD器件設計、制造與驗證。據介紹，這也是國際上首次基于8英寸超厚碳化硅外延完成20kV器件開發，具備批量制造潛力。
研發的20kV SiC IGBT單芯片尺寸為1厘米×1厘米，導通電流20A，耐壓超過22kV，并完成了不同溫度下的動態開關性能驗證，在高壓工況下仍保持較低開關損耗，展現出優異的高壓運行能力。
與此同時，團隊同步完成了20kV SiC FRD器件研發。該器件同樣具備22kV以上耐壓能力，在10kV/20A條件下表現出較低的反向恢復電荷，有助于降低模塊開關損耗并改善電磁兼容性能，為20kV碳化硅IGBT模塊實現全鏈路自主配套提供了重要支撐。
20kV碳化硅雙極型器件研發涉及材料、設計、制造、測試及封裝等多個技術難點。聯合攻關團隊圍繞大尺寸低摻雜厚膜外延、高耐壓終端結構、低損耗元胞設計、超厚襯底減薄、高穩定歐姆接觸、高絕緣封裝等關鍵工藝持續創新，最終實現器件成功研制。
相比傳統硅基IGBT，20kV碳化硅IGBT具有更高耐壓、更低損耗和更高開關頻率等優勢。與6.5kV硅IGBT相比，其器件串聯數量可減少約75%，柔性直流換流閥體積和重量可降低一半以上，同時顯著降低系統損耗和全生命周期運維成本。
隨著20kV SiC IGBT及FRD實現突破，碳化硅功率器件將在特高壓直流輸電、柔性直流換流閥、高壓固態變壓器及智能電網等領域迎來更廣闊的應用空間，也將進一步推動我國高端電力電子裝備自主化和新型電力系統建設。
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