碳化硅半導(dǎo)體--電動汽車和光伏逆變器的下一項關(guān)鍵技術(shù)

圖 1：半導(dǎo)體對許多新興綠色科技至關(guān)重要

毋庸置疑，從社會發(fā)展的角度，我們必須轉(zhuǎn)向采用可持續(xù)的替代方案。日益加劇的氣候異常和極地冰蓋的不斷縮小，清楚地證明了氣候變化影響的日益加劇。但有一個不幸的事實(shí)是，擺脫化石燃料正被證明極其困難，向綠色技術(shù)的轉(zhuǎn)變也帶來了一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。無論是生產(chǎn)要跟上快速擴(kuò)張的市場步伐，還是新解決方案努力達(dá)到現(xiàn)有系統(tǒng)產(chǎn)出水平，如果我們要讓化石燃料成為過去，這些難題都必須被克服。

對于電動汽車（EV）和太陽能電池板等應(yīng)用，工程師面臨著更多的挑戰(zhàn)，因為敏感的電子元件必須在惡劣的環(huán)境中持續(xù)可靠地運(yùn)行。為了進(jìn)一步推動這些可持續(xù)解決方案，我們需要在元件層面進(jìn)行創(chuàng)新，以幫助提高整個系統(tǒng)的效率，同時提供更強(qiáng)的穩(wěn)健性。碳化硅（SiC）半導(dǎo)體作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)這些必要進(jìn)步的技術(shù)，正迅速成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

什么是碳化硅半導(dǎo)體？

作為第三代半導(dǎo)體技術(shù)的一部分，SiC解決方案具有寬禁帶（WBG）特性，并提供了更高水平的性能。與前幾代半導(dǎo)體相比，價帶頂部和導(dǎo)帶底部之間更大的禁帶增加了半導(dǎo)體從絕緣到導(dǎo)電所需的能量。相比之下，第一代和第二代半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換所需的能量值在0.6 eV 至 1.5 eV 之間，而第三代半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換所需的能量值在 2.3 eV 至 3.3 eV 之間。就性能而言，WBG 半導(dǎo)體的擊穿電壓高十倍，受熱能激活的程度也更低。這意味著更高的穩(wěn)定性、更強(qiáng)的可靠性、通過減少功率損耗實(shí)現(xiàn)更好的效率以及更高的溫度上限。

對于需要出色的高功率、高溫和高頻率性能的電動汽車和逆變器制造商來說，SiC 半導(dǎo)體代表著令人興奮的前景。但實(shí)際上，這種性能如何體現(xiàn)，半導(dǎo)體行業(yè)又如何做好準(zhǔn)備以滿足潛在需求呢？

用于電動汽車的SiC

在電動汽車及其配套充電網(wǎng)絡(luò)中，高性能半導(dǎo)體是AC-DC充電站、DC-DC快速充電樁、電機(jī)逆變器系統(tǒng)和汽車高壓直流至低壓直流變壓器的核心。SiC 半導(dǎo)體將致力于優(yōu)化這些系統(tǒng)，提供更高的效率、更高的性能上限和更快的開關(guān)速度，從而縮短充電時間，更好地利用電池容量。這可以增加電動汽車的續(xù)航里程或縮小電池體積，從而減輕車輛重量和并降低生產(chǎn)成本，同時提高性能，促進(jìn)更廣泛的普及。

盡管比內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的同類產(chǎn)品運(yùn)行溫度低，電動汽車對電力電子器件來說仍然是一個極為嚴(yán)苛的環(huán)境，熱管理是設(shè)計人員必須考慮的關(guān)鍵因素。對于許多早期的硅和絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 器件來說，電動汽車內(nèi)的運(yùn)行條件可能會導(dǎo)致其在車輛使用壽命內(nèi)發(fā)生故障。碳化硅解決方案的熱極限要高得多，熱傳導(dǎo)率平均高出 3 倍，因此更容易將熱量傳遞到周圍環(huán)境中。這就提高了可靠性，降低了冷卻要求，進(jìn)一步減輕了重量并消除了封裝方面的顧慮。

碳化硅技術(shù)所帶來的峰值額定電壓和浪涌電容的提高，也為旨在縮短充電時間和減輕汽車重量的制造商提供了支持。通常情況下，大多數(shù)電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施的電壓范圍在200 V 至 450 V 之間，但汽車制造商正在通過將電壓范圍提高到 800 V 來進(jìn)一步提高性能。首款實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變的是高端車型保時捷Taycan ，但越來越多的制造商正在效仿現(xiàn)代汽車最近發(fā)布的 Ioniq 5，該車目前采用 800 V 充電電壓，而且零售價大大降低。

但這一轉(zhuǎn)變背后的原因是什么呢？800 V 系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢，例如充電時間更快、電纜尺寸減?。ㄓ捎陔娏鞲。┮约皩?dǎo)通損耗減少，所有這些都有助于節(jié)省生產(chǎn)成本并提高性能。目前，快速充電系統(tǒng)依賴于昂貴的水冷電纜，而這種電纜可以被淘汰，同時，在車輛內(nèi)部，較小規(guī)格的電纜可以大大減輕重量，增加車輛的續(xù)航里程。對一些制造商而言，要想獲得所需的性能提升以說服消費(fèi)者采用電動汽車，就必須將電壓提升到800 V，但這一發(fā)展只有通過使用碳化硅半導(dǎo)體才能實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的第二代半導(dǎo)體根本不具備在電動汽車及其充電基礎(chǔ)設(shè)施的惡劣環(huán)境中以如此高電壓工作所需的性能和可靠性。

可持續(xù)發(fā)電用碳化硅

除電動汽車外，新一代碳化硅半導(dǎo)體的性能還將惠及更多不斷增長的行業(yè)?？稍偕茉凑谘杆贁U(kuò)張，因此依賴于半導(dǎo)體技術(shù)的太陽能/風(fēng)能發(fā)電場逆變器及分布式儲能解決方案（ESS）預(yù)計將迎來復(fù)合年增長率（CAGR）分別為13%和17%的快速增長。（來源：《2022-2026年全球太陽能集中式逆變器市場報告》）

與電動汽車行業(yè)中提高車輛電壓類似，SiC 技術(shù)也使太陽能發(fā)電場能夠提高組串電壓。現(xiàn)有裝置的工作電壓通常在 1000 V 至 1100 V 之間，但采用 SiC 半導(dǎo)體的新型集中逆變器的工作電壓可達(dá) 1500 V。這樣就可以減少組串電纜的尺寸（因為電流更低）和逆變器的數(shù)量。因為每臺設(shè)備都可以支持更多的太陽能電池板，作為太陽能發(fā)電場中一項較大的硬件支出，減少逆變器數(shù)量和電纜尺寸可顯著降低整體項目成本。

SiC技術(shù)為可再生能源應(yīng)用帶來的好處不僅限于支持更高的電壓。例如，安森美（onsemi）的 1200 V EliteSiC M3S MOSFET 與行業(yè)領(lǐng)先的競爭對手相比，在光伏逆變器等硬開關(guān)應(yīng)用中可減少高達(dá) 20% 的功率損耗。如果考慮到運(yùn)營規(guī)模（僅在歐洲就有 208.9 GW的太陽能發(fā)電場），這種節(jié)省就會產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。(來源：2022-2026 年全球集中式光伏逆變器市場報告）

就可靠性而言，太陽能發(fā)電場和海上風(fēng)力發(fā)電對電氣元件而言是極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境，而正是在這些環(huán)境中，碳化硅技術(shù)將再次超越現(xiàn)有解決方案。通過支持更高的溫度、電壓和功率密度，工程師可以設(shè)計出比現(xiàn)有硅解決方案更可靠、更小、更輕的系統(tǒng)。逆變器的外殼可以縮小，周圍的許多電子和熱管理元件也可以省去。而碳化硅支持更高頻率運(yùn)行，可使用更小的磁體，從而進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本、重量和尺寸。

半導(dǎo)體生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)

很明顯，對于電動汽車和可持續(xù)能源發(fā)電而言，SiC 半導(dǎo)體在幾乎所有方面都代表著一種進(jìn)步。使用良好的碳化硅 MOSFET 和二極管可以提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率，同時減少設(shè)計方面的考慮，并在許多情況下降低整個項目的成本。但是，與任何先驅(qū)技術(shù)一樣，將會產(chǎn)生巨大的需求。許多電子工程師面臨的一個問題是，SiC 制造是否已做好廣泛采用的準(zhǔn)備，以及隨著數(shù)量的增加，生產(chǎn)是否仍然可靠。

從根本上說，碳化硅面臨的主要問題之一是其制備過程。碳化硅在太空中大量存在，但在地球上卻非常稀少。因此，碳化硅需要在石墨電爐中以1600°C 至 2500°C 的溫度將硅砂和碳合成。這一過程會生成碳化硅晶體塊，然后需要進(jìn)一步加工，最終形成碳化硅半導(dǎo)體。每個生產(chǎn)步驟都需要極其嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保最終產(chǎn)品符合嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)。為了保證質(zhì)量，安森美采用了一種獨(dú)特的方法。作為業(yè)內(nèi)唯一一家端到端碳化硅制造商，他們掌握著從襯底到最終模塊的每一個生產(chǎn)步驟（圖 2）。

圖2：安森美的端到端碳化硅生產(chǎn)

在他們的工廠中，硅和碳在熔爐中結(jié)合，然后通過數(shù)控機(jī)床加工成圓柱形圓盤，再切成薄晶圓片。根據(jù)所需的擊穿電壓，在將晶片切割成單個裸片并封裝之前，會生長出特定的外延晶片層（圖3）。通過從頭到尾控制整個流程，安森美已經(jīng)能夠創(chuàng)建一個非常有效的生產(chǎn)系統(tǒng)，為日益增長的碳化硅需求做好準(zhǔn)備。

圖3：碳化硅外延晶片層

盡管安森美利用了其在硅基技術(shù)生產(chǎn)中獲得的經(jīng)驗，但要保證最終產(chǎn)品的高質(zhì)量和穩(wěn)健性，SiC 材料還面臨許多特有的挑戰(zhàn)。例如，為了生產(chǎn)出可靠的最終產(chǎn)品，需要超越為硅技術(shù)設(shè)計的現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的許多方面。通過與大學(xué)和研究中心的廣泛合作，安森美得以確定碳化硅在各種條件下的特性和可靠性。研究成果是一套全面的綜合方法，可應(yīng)用于安森美所有的SiC生產(chǎn)工藝中。

碳化硅--適時的正確技術(shù)？

要使可持續(xù)技術(shù)對現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)生必要的影響，幫助我們實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)，能效、可靠性和成本效益是關(guān)鍵因素。過去要找到能同時滿足這三個目標(biāo)的元件級解決方案幾乎是不可能的，但對于許多應(yīng)用來說，這正是SiC技術(shù)所能提供的。雖然全球供應(yīng)短缺在一定程度上延緩了碳化硅半導(dǎo)體的普及，但很明顯，我們現(xiàn)在將看到該技術(shù)的快速發(fā)展。

大規(guī)模采用SiC仍將面臨一些挑戰(zhàn)，例如半導(dǎo)體廠商要跟上需求的步伐，并確保可靠性。但通過合作和研究（如安森美所開展的研究），業(yè)界應(yīng)能確保保持高標(biāo)準(zhǔn)并優(yōu)化制造效率。在部署方面，重要的是要記住第一代和第二代半導(dǎo)體仍有其用武之地。對于一些邏輯IC和射頻芯片等應(yīng)用，SiC 的高性能可能并不適用，但對于電動汽車和太陽能等應(yīng)用，SiC 技術(shù)將被證明是具變革性的。