2025年1月21日，中国科学院微电子研究所宣布，由刘新宇、汤益丹团队与中国科学院空间应用工程与技术中心刘彦民团队共同研制的首款国产高压抗辐射碳化硅（SiC）功率器件及其电源系统，成功通过太空第一阶段验证，并在中国空间站轨道上实现了首次应用。这一重大突破，不仅标志着中国在第三代半导体材料领域，尤其是在航天电源系统应用方面取得了重要进展，也为未来航天任务中的电源技术升级提供了新的解决方案。
一、技术突破：碳化硅功率器件的巨大优势
功率器件作为电力电子系统的核心部件，其性能直接影响到能源转换效率和系统的稳定性。在过去的几十年里，硅基功率器件在许多应用中已接近性能极限。相比之下，碳化硅（SiC）等第三代半导体材料凭借其独特的物理特性，如宽禁带、较高的击穿电压、良好的热导性等，在高效能和高功率应用中展现出了巨大的潜力。
此次研制的400V高压抗辐射碳化硅功率器件，功率-体积比比传统硅基功率器件提升了近5倍。这意味着，在相同体积下，碳化硅器件能够传输更高的功率，显著提升能源转换效率，并且在高功率应用中具有明显的优势。此外，碳化硅材料的高效能特性使得电源系统的散热需求大幅减少，这不仅能降低航天器的能耗，也能有效节省空间和重量，为其他系统模块提供更多的空间。
刘新宇教授表示，这款碳化硅功率器件的高能效、小型化和轻量化特点，使其成为航天电源系统中理想的解决方案。传统航天电源系统中的散热装置通常占据较大体积和重量，而碳化硅器件的高效特性使得散热需求显著降低，从而能够进一步提升空间系统的载荷能力。
图：中国高压抗辐射碳化硅功率器件太空验证成功（图片来自网络，仅为示意）
二、太空验证：从地面到轨道的关键跨越
此次高压抗辐射碳化硅功率器件的成功太空验证，是中国在航天电源技术领域的重要里程碑。2024年11月，这款碳化硅功率器件随天舟八号货运飞船进入太空，并在中国空间站展开了一系列科学实验。通过为期一个多月的在轨加电测试，碳化硅功率器件在静态和动态条件下均表现出了优异的稳定性和可靠性。
实验数据显示，碳化硅功率器件在太空环境中的工作表现符合预期，成功验证了其在极端条件下的应用潜力。特别是在太空的高辐射、高真空环境中，这款器件依然能保持稳定工作，验证了其抗辐射能力和高可靠性。汤益丹教授指出，这一成果标志着碳化硅功率器件能够成为未来航天任务中提高电源效率和可靠性的关键技术，可能推动空间电源系统向更高效、更紧凑、更高功率的方向发展。
三、行业影响与全球视野：碳化硅技术的前景
碳化硅功率器件的成功研制和太空验证，不仅提升了中国在航天领域的技术竞争力，也为全球半导体产业带来了深远影响。随着硅基功率器件性能的逐渐饱和，碳化硅材料因其优越的物理特性，正成为全球科技竞争的新焦点。
中国此次成功研制的高压抗辐射碳化硅功率器件，不仅填补了国内在该领域的技术空白，也为未来深空探测、载人登月等航天任务提供了技术保障。此外，碳化硅功率器件在航天领域的应用也为其他高能效、高辐射环境下的工业领域提供了技术参考。例如，在电动汽车、可再生能源系统等应用中，碳化硅材料凭借其高效性和高耐辐射性，正逐渐成为主流解决方案。
国际上，美国、欧洲等地也正在积极推动碳化硅功率器件的研发。碳化硅材料在航空航天领域的广泛应用，已成为全球科技竞争的关键方向之一。中国的成功不仅证明了其在第三代半导体领域的创新能力，也为国际航天技术合作打开了新大门。
四、未来展望：迈向千瓦级功率的更高突破
中国科学院表示，碳化硅功率器件在航天电源系统中的应用将进一步推动航天电源系统的技术进步。此次验证的高压碳化硅功率器件为未来更大功率、更高效率的电源模块提供了坚实的技术基础。随着技术的不断发展，碳化硅器件预计将向千瓦级功率水平迈进，推动航天电源系统向更高功率、更小体积、更轻重量的方向演进。
刘新宇教授强调，中国自主研发的碳化硅功率器件通过了严苛的空间环境测试，并在航天电源系统中成功应用，标志着中国在航天电源技术领域的自主创新能力得到了显著提升。这不仅为中国建设航天强国提供了技术支撑，也为全球航天技术的发展提供了新的思路和方案。
五、结语
中国首款高压抗辐射碳化硅功率器件的成功研制与太空验证，标志着中国在航天电源技术领域迈出了关键一步。随着技术不断成熟，碳化硅功率器件将为未来的航天任务提供更高效、更可靠的电源解决方案，并推动全球航天技术的进步。
这一成果也为全球半导体产业的发展设立了新的标杆，随着技术不断深化应用，碳化硅功率器件将成为电力电子和能源系统领域的重要组成部分，助力全球航天、航空、能源等领域的技术创新与发展。
