随着制造技术和工艺的不断改进，SiC MOSFET的质量得到显著提高。人们开始生产全SiC模块来显示出SiC器件的真正优势。图11显示了在这项工作中开发的两种全SiC功率模块。图11（a）显示了具有1200V / 200A的低功率模块。图11（b）显示了具有半桥配置的3.3 kV / 500A全SiC功率模块。采用成熟的材料和工艺来对传统的功率模块外壳进行。在每个开关位置安装16对SiC MOSFET（3300 V，40mΩ）和SiC SBD。母线和基板布局设计用于低寄生电感，以最大限度地减少电压过冲。

图12：SiC功率模块的静态测试。 （a）IDS-VDS和（b）IDS-VGSSiC模块在不同温度下的曲线

I-V曲线如图12（a）所示。SiC MOSFET模块的导通电阻具有正温度系数。在栅极电压为20V时，RDS(on)从-40°C的1.67mΩ 增加到150°C的6.39mΩ，这是由体迁移率的变化引起的。这将有益于系统中并联模块之间的DC电流共享。由于增加的电阻会导致温度较高模块上的电流减少。线性区域外推（ELR）方法用于获得MOSFET阈值电压（Vth）。如图12（b）所示，观察到Vth的负偏移，温度范围为-40至150℃，Vth变化为-2.4V，温度系数为-13mV / K。这使得并联模块之间的动态电流共享成为挑战。具有较低Vth的模块将提前开启并且比其他模块更晚关闭，这导致过度动态电流导致温度升高。降低的Vth会使性能变差，最终导致热失控。为了防止这种问题，提高开关速度可能会有所帮助，同时电压尖峰会在关闭期间增加。还可以利用栅极驱动器设计，Vth参数筛选，散热器优化的来防止此类问题发生。

图13：双脉冲测试电路

模块的动态测试通过标准的双脉冲测试来完成，原理图如图13所示。MOSFET上部开关设置为-5V，以在切换期间保持关断状态。下部MOSFET由栅极驱动器控制，范围为-5V至20V，栅极电阻为10Ω。双脉冲测试在1500 V的直流电压和500 A电流下通过模块的下部进行，负载电感为200 μH。

图14：双脉冲测试结果：25℃和150℃下的（a）打开和（b）关闭的波形。

图14显示了模块在25°C和150°C时的动态波形。波形与电压开始变化的时间对齐。如图14（a）所示，当导通速度加快时，电流过冲较大。虽然如图14（b）所示，关闭速度在150℃时不会受到很大影响。25°C和150°C的导通/关断能量分别为0.41J / 0.39J和0.39J / 0.42J，总开关损耗为|0.8| J不变。这表明SiC模块的高温环境中工作具有很明显的优势。

（2）SiC功率器件在铁路运输中的应用

图15：混合SiC在铁路运输中的应用：（a）功率转换器; （b）TCG500D33G混合动力堆; （c）3300 V混合SiC功率模块

目前，由于全SiC器件一直处于商用初期阶段，因此铁路运输中的实际应用主要采用混合SiC功率模块。图15显示了CRRC混合SiC模块在铁路运输中的应用。图15（a）显示了功率转换器的总体设计；图15（b）显示了混合动力堆设计；图15（c）显示了具有8个SiC模块的模块矩阵，其通过空气冷却系统提供600kW的功率密度。与使用Si器件系统相比，SiC系统提供了更高的性能，因为功率损耗降低了30％，功率容量提高了50％，同时显示出低温升。

表1：Si转换器与SiC转换器的比较

SiC转换器的优点不仅是在电学性能上，还在于为物理性能上也具有很大的优点。根据表1，与Si转换器相比，SiC转换器在重量和尺寸方面降低了四分之一，同时其功率密度增加了四分之一，并且可以在较低的空气速度用于冷却系统。

图16：应用于地铁系统的CRRC混合SiC模块：（a）SiC功率转换器 （b）SiC转换器的测试程序平台

如图16所示为用于中国昆明的地铁系统的1600A / 1.7kV混合SiC模块。图16（a）显示了开发的混合SiC功率转换器，图16（b）是 补充测试软件。下一代牵引系统需要更小的尺寸和更轻的重量，更高的效率，更高的功率密度，更高的温度处理能力和更高的开关频率。而全SiC器件是满足这些要求的关键。

在铁路运输中SiC潜在的另一个重要的应用是电力电子变压器或固态变压器。

随着电力电子技术的快速发展，尤其是功率半导体器件（PSD）的发展，PSD在电网中的应用以及用于发电，传输和转换的牵引输送正变得不可或缺。柔性交流输电系统（FACTS）和固态变电站等电力系统是PSD的主要创新应用。牵引运输中更可靠的PSD的安全要求远高于其他应用，是关键的研究课题。作为下一代PSD，SiC功率器件将在电网和牵引传输应用中创造更多机会，以提供更高的效率和更好的可靠性性能。

图17：SST的潜在应用

在电网应用方面，迫切需要在固态变电站等电力系统中应用SiC器件，其中关键部件是固态变压器（SST），如图17所示。根据2010年麻省理工学院的技术评估，SST被列为十大最新兴技术之一，它在未来的配电系统中具有巨大的潜力和重要性。然而，由于开关电压非常高，常见的Si-IGBT功率模块在高压和高频操作中面临着简单的两电平或三电平转换器的挑战。为了实现高压操作，采用低压电源模块串联，但导致了高固有电压，这可能损坏器件。研究人员发现虽然SST可以实现，但其性能远远达不到传统的变压器。SiC器件在这种情况下则显示出良好的潜力，因为它们可以在缩小尺寸的基础上，满足在高频和高温条件下工作的要求。由于具有导通电阻的正温度系数的优点，为了满足不同应用的要求，可以实现SiC MOSFET的并联连接以满足高功率要求。