采用碳化硅革新電力電子技術(shù)，開拓可持續(xù)解決方案

摘要—市場對高效、清潔和可持續(xù)能源解決方案的需求日益增長，這推動了功率半導體行業(yè)的發(fā)展，也要求人們更加關(guān)注先進材料。在各種先進材料中，碳化硅(SiC)作為一項顛覆性技術(shù)脫穎而出，它與傳統(tǒng)硅基器件相比優(yōu)勢明顯。

碳化硅兼具高導熱性、高擊穿電場和高帶隙等獨特性能，非常適合需要實現(xiàn)更高效率的大功率及高頻應用場景。本文將探討碳化硅在汽車、可再生能源系統(tǒng)、工業(yè)用品等多種應用場景中的影響，以突出展示其在電子產(chǎn)品變革中的關(guān)鍵作用。

對碳化硅技術(shù)進行商業(yè)化應用時，需要持續(xù)關(guān)注材料缺陷、器件可靠性和相關(guān)封裝技術(shù)。本文還將向研究人員和專業(yè)人士介紹一些實用知識，幫助了解碳化硅如何為功率半導體行業(yè)實現(xiàn)高效且可靠的解決方案。

I.簡介

電力電子技術(shù)幾乎已經(jīng)融入到我們生活中的方方面面。電力電子技術(shù)的發(fā)展與材料科學、半導體器件技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計方面的技術(shù)進步緊密相連。自半導體材料發(fā)明以來，電子設(shè)備獲得了空前提升，開創(chuàng)了一個新的時代。隨著硅材料和器件的躍進，半導體技術(shù)開始具有可擴展性和高適應性，而電力電子領(lǐng)域也成為了所有電子系統(tǒng)中充滿活力且不可或缺的一部分。碳化硅和氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導體技術(shù)的發(fā)展開辟了新天地，可提供更高的效率和功率密度，能夠在更高溫度和電壓下工作，從而推動電力電子系統(tǒng)不斷突破上限。借助這些新擴展的能源能力，就能夠以最低損耗將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，同時提高系統(tǒng)的功能性和可靠性，從而將電力電子技術(shù)拓展到可再生能源系統(tǒng)、電動汽車和智能電網(wǎng)等重要領(lǐng)域。

II.半導體領(lǐng)域中的重大變革并不常見

20世紀中期，硅促成了晶閘管和晶體管等半導體器件的誕生，如圖1所示。通過可靠的開關(guān)功能，這些器件能夠?qū)﹄妷汉?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/電流/" target="_blank">電流進行控制處理；但是，它們受到開關(guān)速度較慢和控制能力低下的限制。隨著硅技術(shù)的發(fā)展，金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)器件技術(shù)得以實現(xiàn)商業(yè)化，可提供更強大的電氣特性。1979年，MOSFET發(fā)明問世，其開關(guān)速度更快、工作頻率更高，非常適合中低電壓應用。1985年，IGBT推出，其結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點，具有更高電壓能力、更快開關(guān)速度和更高效率，催生了電力電子系統(tǒng)的巨大進步，推動了先進電路拓撲和控制方法的發(fā)展。

圖1：功率半導體技術(shù)的演變[1]

這些技術(shù)進步確立了明確的性能表征，可推動在能效、功率密度和可靠性等方面的未來發(fā)展，助力不斷突破硅性能極限。如此一來，人們在寬禁帶半導體材料研究方面的力度也在不斷增強。與硅相比，碳化硅的帶隙為三倍、擊穿電場達到十倍，因此出現(xiàn)成為適合下一代功率器件的理想材料，如圖2中的雷達圖所示。

圖2：硅、碳化硅和氮化鎵關(guān)鍵性能參數(shù)比較。

Wolfspeed于2011年推出了業(yè)界首款碳化硅MOSFET，自此后一直引領(lǐng)從硅到碳化硅的轉(zhuǎn)型，為功率轉(zhuǎn)換器技術(shù)開辟了新天地，這在本文所述的多種應用中均有體現(xiàn)。

III.可持續(xù)發(fā)展未來

電力電子技術(shù)是實現(xiàn)高效電能轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制的基礎(chǔ)技術(shù)。對于在可再生能源發(fā)電、電動汽車和工業(yè)自動化等多個行業(yè)中部署可持續(xù)能源解決方案，該領(lǐng)域中的創(chuàng)新至關(guān)重要。

A.電動汽車(EV)

在向可持續(xù)發(fā)展未來轉(zhuǎn)型的過程中，電動汽車扮演著至關(guān)重要的角色，因為它們有潛力大幅減少溫室氣體排放、改善城市空氣質(zhì)量并降低對不可再生化石燃料資源的依賴。在電動汽車中，電力電子設(shè)備通過逆變器、轉(zhuǎn)換器和電機控制器等關(guān)鍵組件，來管理和控制電池、電機及輔助系統(tǒng)之間的電力流。這些系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能，例如：將電池中的直流電(DC)轉(zhuǎn)換為電機所需的交流電(AC)，調(diào)節(jié)各種車輛系統(tǒng)的電壓水平，管理電池的充電和放電，以及實現(xiàn)再生制動以重新捕獲能量。隨著碳化硅材料和器件技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)在可以在碳化硅中開發(fā)出既可靠又堅固的電力系統(tǒng)，同時不影響效率或可持續(xù)性。根據(jù)麥肯錫最近發(fā)布的一份報告，到2027年，50%以上的純電電動汽車可能會采用碳化硅動力總成，而目前這一比例約為30%[2]。

A.1.動力總成系統(tǒng)

負責將EV從A點行駛至B點的最核心、最關(guān)鍵的系統(tǒng)是電動汽車動力總成系統(tǒng)。電動汽車的動力系統(tǒng)負責處理儲存在車輛電池系統(tǒng)中的能量，并將其輸送到車輪。驅(qū)動一輛滿載的車輛所需的能量十分巨大，因此需要瞬時和可預測的能量傳輸。此外，車輛的續(xù)航能力主要取決于以最高效率和最小阻力提供動力的能力。碳化硅MOSFET的持續(xù)演變使得工程師能夠設(shè)計出足夠堅固耐用的動力總成逆變器，以應對高溫和極端濕度，同時提供相比硅MOSFET更高的電壓范圍和更快的開關(guān)速度。通過在電動汽車的動力總成系統(tǒng)中采用碳化硅MOSFET，可減少高達80%的功率損耗，從而將行駛距離延長多達10%。除了為日常駕駛者帶來效率提升這一好處外，碳化硅MOSFET的高效率還讓汽車系統(tǒng)設(shè)計人員有機會采用比傳統(tǒng)設(shè)計更小、更輕、更高效的電機，同時提供強勁的性能。Wolfspeed 80 kHZ三相參考設(shè)計（圖3）就是一個基于碳化硅的逆變器示例。與同類硅基逆變器相比，該設(shè)計可以將功率密度提高至兩倍，并且可以嵌入在超低電感封裝結(jié)構(gòu)中。

圖3：CRD300DA12E-XM3300 kW 800 V直流母線標稱三相逆變器。

A.2.快速充電系統(tǒng)

全球范圍都在向電動汽車轉(zhuǎn)型，因此要求充電基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)重大進展，以滿足廣泛部署的需求。雖然低功率車載充電器（小于15千瓦）足以在閑置期間進行住宅充電，而且碳化硅開關(guān)比硅開關(guān)具有更高的反向極性操作性能，因此成為了雙向充電的理想選擇，但長途旅行和商業(yè)應用卻需要大幅縮短充電時間，接近傳統(tǒng)加油站的加油速度。要實現(xiàn)這樣的更高充電速度，要求電池技術(shù)取得同步發(fā)展，并且開發(fā)出能夠支持快速能量傳輸且穩(wěn)固可靠的高功率充電基礎(chǔ)設(shè)施。碳化硅可實現(xiàn)更高開關(guān)速度和更大功率輸出，從而提供效率高得多的快速充電。這些因素促進了碳化硅MOSFET和模塊在電動汽車充電應用中的激增；同時，為了滿足長途電動化卡車和送貨車輛所需兆瓦級快速充電系統(tǒng)的需求，正在引入中壓等級技術(shù)。

A.3.車載充電系統(tǒng)

車載電池充電機是電動汽車保持動力的關(guān)鍵：充電機將車主家中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為電池充電。充電機通常還能進行再生制動，在制動時從車輛本身獲取動能以增加電量。得益于碳化硅器件技術(shù)，這些系統(tǒng)在輸出、尺寸和速度方面都表現(xiàn)出了高效性。對于基于碳化硅的車載充電系統(tǒng)，如果設(shè)計中具備雙向能量傳輸功能，則既能從電網(wǎng)接收能量，又能將能量回饋給電網(wǎng)，從而有助于穩(wěn)定將來的電網(wǎng)，甚至能在停電期間為車主的重要家用系統(tǒng)供電。

A.4.車載DC/DC轉(zhuǎn)換器

在現(xiàn)代汽車中，特別是電動汽車中，車載DC/DC轉(zhuǎn)換器發(fā)揮著極為重要的作用；由于集成了信息娛樂、導航、照明和自動控制等先進系統(tǒng)，對電力的需求不斷升高。這類轉(zhuǎn)換器負責轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)來自電池的直流電，為相互依賴的各個系統(tǒng)提供正確的電壓，從而確保實時性能，防止因故障而影響車輛運行。碳化硅技術(shù)的進步正在革新這些DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率和性能。與傳統(tǒng)硅元件相比，碳化硅器件的電氣和熱性能更優(yōu)。它們能夠減少開關(guān)和傳導損耗以實現(xiàn)更高運行效率，這不僅改善了能量轉(zhuǎn)換，而且還最大限度地減少了發(fā)熱。碳化硅器件能夠在更高溫度和更快開關(guān)速度下工作，從而增強復雜車輛系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)電壓的能力。此外，這些先進技術(shù)還使功率轉(zhuǎn)換器體積更小、重量更輕，從而減輕了整車重量，并為其他組件騰出了空間。

B.可再生能源

可再生能源是全球增長最快的能源，占全球發(fā)電能力的三分之一，而碳化硅技術(shù)在提高下一代儲能、太陽能和風能系統(tǒng)的效率和功率密度方面扮演著舉足輕重的作用。根據(jù)國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)，2023年全球可再生能源裝機容量增加了近50%，是二十年來增長最快的一年；預測顯示，2023年至2028年間將新增近3,700千兆瓦的裝機容量[3]。該增長主要由太陽能光伏發(fā)電(PV)和風能推動，因為這兩種能源相對于化石和非化石燃料替代品具有成本優(yōu)勢，預計這些能源將占增長量中的95%。預計到2028年，可再生能源將占全球發(fā)電量的42%以上，其中風能和太陽能光伏發(fā)電將占25%。要在可再生能源方面實現(xiàn)更高的投資回報率，特別是太陽能和風能，需要持續(xù)提高效率、容量、功率密度和成本效益。Wolfspeed最近與領(lǐng)先的地面電站可再生能源逆變器制造商EPC合作，實現(xiàn)了模塊化兩級系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。這種獨特的功率設(shè)計最終可實現(xiàn)低維護、易維修且可大規(guī)模生產(chǎn)的逆變器方法，從而支持快速部署可再生能源。有關(guān)如何利用SiC簡化以前的三級系統(tǒng)的更多信息，請參閱Wolfspeed案例分析[4]。

圖4：采用1200 V IGBT的復雜3級NPC系統(tǒng)架構(gòu)（左）

與采用2300 V WolfPACK功率模塊的大幅簡化2級系統(tǒng)（右）的比較。

簡化后的2級系統(tǒng)減少了驅(qū)動器數(shù)量，降低了控制復雜性，并提高了可擴展性。

C.人工智能革命及其對數(shù)據(jù)中心的影響

人工智能(AI)正推動市場對數(shù)據(jù)中心前所未有的需求，這大幅增加了全球的能源消耗。如圖5所示，2021年，Amazon、Google、Meta和Microsoft等大型科技公司的用電量達到72太瓦時，是2017年用電量的兩倍多；而隨著ChatGPT等生成式人工智能技術(shù)的興起，這種需求只會進一步加劇。人工智能模型的能耗遠高于傳統(tǒng)應用：每次人工智能查詢請求大約需要消耗2.9瓦時電量，是一次典型Google搜索所需能量的近十倍。

圖5：美國數(shù)據(jù)中心潛在耗電量預測：2023-2030年（EPRI，2024年）。

2024年的EPRI報告預測，到2030年，數(shù)據(jù)中心的耗電量將高達美國電力的9.1%，因此，必須找到適用于人工智能工作負載的可持續(xù)解決方案[5]。雖然一些公司在嘗試將服務器浸入海洋或使用積雪等冷卻方法，但碳化硅技術(shù)提供的解決方案更具實用性和成本效益。碳化硅器件發(fā)熱量較少，并且在高溫環(huán)境下仍能保持可靠性能，從而提高了能源效率，并減少了對外部冷卻的需求。

碳化硅具有更佳的性能表征和導熱能力，因此功率密度更加卓越，可將功率提高40%，或?qū)⑾到y(tǒng)尺寸縮小40%。如果全球所有數(shù)據(jù)中心都用碳化硅取代硅基元件，那么節(jié)省的能源可供曼哈頓地區(qū)使用一整年。在過去十年間，全球法規(guī)對提高外部電源效率的要求越來越高，而碳化硅和氮化鎵是能夠以最低系統(tǒng)成本滿足最嚴格標準（如80+ Titanium、ORV3和Energy Star能效標準）的唯有材料。通過采用碳化硅，不僅能提高能效，而且還能確保數(shù)據(jù)中心符合不斷變化的監(jiān)管要求，同時最大限度減輕環(huán)境影響、降低運營成本，并最大幅度提高計算能力。

IV.碳化硅技術(shù)成熟度

隨著碳化硅器件在先進應用中的普及，對低缺陷率、高質(zhì)量碳化硅材料的需求日益增長。這些高質(zhì)量襯底和晶圓對于實現(xiàn)最佳器件性能與可靠性至關(guān)重要，因為諸如微管和位錯之類的缺陷會大幅降低效率并縮短使用壽命，尤其是在高壓系統(tǒng)中。Wolfspeed不斷改進生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出質(zhì)量更高、直徑更大且性能更穩(wěn)定的碳化硅晶體，從而提高可靠性和效率，如圖6所示。在過去幾十年中，碳化硅技術(shù)已經(jīng)從實驗階段發(fā)展到廣泛商用階段，克服了早期在制造穩(wěn)定性和成本方面存在的挑戰(zhàn)。

圖6：Wolfspeed晶圓演變里程碑。

Tairov和Tsvetkov在1978年的工作為碳化硅研究活動奠定了基礎(chǔ)[6]，也為未來的發(fā)展構(gòu)筑了基石。1987年，碳化硅技術(shù)先行者Cree Inc.（現(xiàn)為Wolfspeed）成立；到1992年，該公司生產(chǎn)出第一片商用碳化硅襯底，標志著技術(shù)上的重大飛躍。隨著零微管(ZMP)襯底的推出，實現(xiàn)了巨大突破，從而解決了微管問題，這是碳化硅材料中一種致命的器件故障缺陷。從1992年的25毫米晶圓開始，到2015年的200毫米晶圓，晶圓從小尺寸到更大尺寸的過渡在提高制造效率和降低成本方面發(fā)揮了重要作用。

在這些尺寸增加的同時，Wolfspeed通過降低位錯密度和改善晶圓形狀，顯著提高了碳化硅襯底的質(zhì)量，從而帶來良率更高、更為可靠的碳化硅器件。Wolfspeed的200毫米碳化硅技術(shù)不斷完善，凸顯了實現(xiàn)碳化硅材料和器件在實現(xiàn)穩(wěn)定性、大批量生產(chǎn)和質(zhì)量一致性的重要性，如圖7所示。這些進步使得碳化硅技術(shù)在全球范圍內(nèi)趨于成熟，能夠應用于上述復雜系統(tǒng)中。

圖7：Wolfspeed的浴缸曲線計算器，以功率器件的任務曲線作為輸入。

V.碳化硅技術(shù)的未來趨勢

碳化硅技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新正在塑造電力電子技術(shù)的未來，發(fā)展趨勢已不僅僅是傳統(tǒng)的可靠性問題，而是更加注重耐用性、效率和高級集成。隨著越來越多的工業(yè)和可再生能源應用需要在更高母線電壓下運行，寬禁帶(WBG)技術(shù)必須應對這些眾多應用實例所在的挑戰(zhàn)性環(huán)境。功率組件供應商在評估用于在高壓、高頻應用中實現(xiàn)最佳性能的關(guān)鍵措施時，必須超越數(shù)據(jù)表來考慮關(guān)鍵的可靠性標準，并考量哪些改進甚至規(guī)范對于確保更高耐用性至關(guān)重要。例如，對于高海拔應用，必須考慮宇宙射線粒子所導致的性能下降，因為這會對失效率(FIT)產(chǎn)生重大影響。對于可再生能源設(shè)施，可能需關(guān)注設(shè)施在潮濕環(huán)境中的性能，因此可能需要滿足溫度-濕度偏差(THB)規(guī)范。隨著建筑及農(nóng)用車輛(CAV)日益實現(xiàn)電氣化（圖8），其中的器件必須承受因使用條件而產(chǎn)生的高溫，因此需要了解柵極氧化物所承受的應力。最后這項要求也凸顯了碳化硅器件技術(shù)的持續(xù)發(fā)展以釋放未來潛力[7]。

寬禁帶組件供應商需要了解耐久性設(shè)計所帶來的日益嚴峻的挑戰(zhàn)，并認真權(quán)衡設(shè)計上的取舍，以實現(xiàn)適當?shù)男阅埽瑫r確保碳化硅在商業(yè)上仍能被長期使用的基于IGBT的可靠系統(tǒng)所接受。除了器件設(shè)計和加工創(chuàng)新之外，先進封裝技術(shù)也將至關(guān)重要，其通過解決惡劣環(huán)境中常見的熱、電和機械問題，來充分發(fā)揮碳化硅的優(yōu)勢。

建筑和農(nóng)業(yè)設(shè)備OEM正在考慮如何使主逆變器與推進系統(tǒng)之外的子系統(tǒng)實現(xiàn)電動化。

電力電子技術(shù)領(lǐng)域的另一個明顯趨勢是，從單獨功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)榧啥雀叩南到y(tǒng)，同時更加強調(diào)整體能源管理，而非孤立電源功能。這種轉(zhuǎn)變涉及分析各系統(tǒng)組件之間的相互作用，不僅要提高功率，而且還要改善整體能效。此轉(zhuǎn)變也反映了功率轉(zhuǎn)換器技術(shù)的不斷發(fā)展，其推動因素包括碳化硅等半導體器件取得的突破、新電路拓撲結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新型控制策略以及無縫式系統(tǒng)集成。效率更高、功率密度更大、集成度更高的解決方案很可能會在未來幾年主導電力電子領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

小結(jié)

從硅到碳化硅的轉(zhuǎn)型是電力電子領(lǐng)域中難得一遇的技術(shù)變革。與傳統(tǒng)硅相比，碳化硅具有更優(yōu)越的材料特性，如更高熱導率、更高擊穿電壓和更快開關(guān)速度，因此非常適合大功率、高溫和高效率應用場景。隨著Wolfspeed不斷推動碳化硅技術(shù)的進步并持續(xù)大批量提供高質(zhì)量碳化硅產(chǎn)品，這種轉(zhuǎn)變已不僅僅是一種漸進式改進，而是一種基礎(chǔ)性變革，使各行各業(yè)均實現(xiàn)了前所未有的性能水平。通過利用碳化硅技術(shù)，各行業(yè)能夠在降低運營成本和碳排放的同時，顯著提升績效。碳化硅的廣泛應用標志著電力電子和半導體領(lǐng)域的重大轉(zhuǎn)折點，因為它開啟了以往無法通過硅實現(xiàn)的各種可能性，為未來數(shù)十年的能源管理和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)塑造了光明前景。

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內(nèi)推動碳化硅技術(shù)采用方面處于市場領(lǐng)先地位，這些碳化硅技術(shù)為全球最具顛覆性的創(chuàng)新成果提供了動力支持。作為碳化硅領(lǐng)域的引領(lǐng)者和全球最先進半導體技術(shù)的創(chuàng)新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過面向各種應用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產(chǎn)品，助您實現(xiàn)夢想，成就非凡(The Power to Make It Real)。