電動汽車和光伏逆變器的下一項關(guān)鍵技術(shù)

圖1 半導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)要跟上快速擴張的市場步伐，還是新解決方案努力達到現(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)可靠地運行。為了進一步推動這些可持續(xù)解決方案，我們需要在元件層面進行創(chuàng)新，以幫助提高整個系統(tǒng)的效率，同時提供更強的穩(wěn)健性。碳化硅（SiC）半導體作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)這些必要進步的技術(shù)，正迅速成為人們關(guān)注的焦點。

什么是碳化硅半導體？

作為第三代半導體技術(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。與前幾代半導體相比，價帶頂部和導帶底部之間更大的禁帶增加了半導體從絕緣到導電所需的能量。相比之下，第一代和第二代半導體轉(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、更強的可靠性、通過減少功率損耗實現(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 半導體代表著令人興奮的前景。但實際上，這種性能如何體現(xiàn)，半導體行業(yè)又如何做好準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，高性能半導體是AC-DC充電站、DC-DC快速充電樁、電機逆變器系統(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，促進更廣泛的普及。

盡管比內(nèi)燃機驅(qū)動的同類產(chǎn)品運行溫度低，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)的運行條件可能會導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 來進一步提高性能。首款實現(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、電纜尺寸減小（由于電流更?。┮约皩〒p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體才能實現(xiàn)?，F(xiàn)有的第二代半導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，新一代碳化硅半導體的性能還將惠及更多不斷增長的行業(yè)。可再生能源正在迅速擴張，因此依賴于半導體技術(shù)的太陽能/風能發(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 半導體的新型集中逆變器的工作電壓可達 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 20% 的功率損耗。如果考慮到運營規(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行，可使用更小的磁體，從而進一步降低了系統(tǒng)成本、重量和尺寸。

半導體生產(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 半導體在幾乎所有方面都代表著一種進步。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，然后需要進一步加工，最終形成碳化硅半導體。每個生產(chǎn)步驟都需要極其嚴格的質(zhì)量控制，以確保最終產(chǎn)品符合嚴格的測試標準。為了保證質(zhì)量，安森美采用了一種獨特的方法。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)標準的許多方面。通過與大學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)實世界產(chǎn)生必要的影響，幫助我們實現(xiàn)全球氣候目標，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)，例如半導體廠商要跟上需求的步伐，并確?？煽啃浴５ㄟ^合作和研究（如安森美所開展的研究），業(yè)界應(yīng)能確保保持高標準并優(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。