“碳中和”時(shí)代的半導(dǎo)體黑馬——碳化硅

劉祎晨 林雪如

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化帶來的挑戰(zhàn)，2020年9月，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出：中國(guó)力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到碳排放峰值，在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。我國(guó)政府在2021年的《政府工作報(bào)告》和《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，均提出要推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，努力做好“碳達(dá)峰、碳中和”工作，并于2021年5月正式成立了“碳達(dá)峰”“碳中和”工作領(lǐng)導(dǎo)小組”。那么“碳達(dá)峰”“碳中和”究竟是什么？“碳達(dá)峰”是指二氧化碳排放量在到達(dá)某一時(shí)刻后達(dá)到峰值，不再繼續(xù)增長(zhǎng)，之后逐步回落。“碳中和”則是指通過二氧化碳去除手段抵消自身產(chǎn)生的二氧化碳排放量，達(dá)到相對(duì)“凈零排放”。

當(dāng)前，我國(guó)正在經(jīng)歷“碳達(dá)峰”階段，并逐步過渡到“碳中和”時(shí)代。如何遏制全球變暖，實(shí)現(xiàn)“碳中和”是當(dāng)前我國(guó)面臨的重要課題。應(yīng)對(duì)氣候問題的核心關(guān)鍵是控制“碳排放”，在“控碳”的過程之中，必然會(huì)經(jīng)歷“碳達(dá)峰”，而后才會(huì)實(shí)現(xiàn)“碳中和”。這是一個(gè)系統(tǒng)工程：一方面通過技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，如加大對(duì)以風(fēng)電、光伏為代表的新能源比例的利用；另一方面完成節(jié)能環(huán)保新技術(shù)、新設(shè)備和產(chǎn)品的突破與開發(fā)，提高能源使用效率。當(dāng)前我國(guó)大力發(fā)展的新能源汽車、智能電網(wǎng)、光伏、儲(chǔ)能等低碳新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)將會(huì)成為非常重要的市場(chǎng)領(lǐng)域，這其中，碳化硅功率半導(dǎo)體將扮演非常重要的角色。

1 碳化硅材料的性能優(yōu)勢(shì)

碳化硅半導(dǎo)體材料作為第3代半導(dǎo)體材料的典型代表，與第1代（如硅）、第2代（如砷化鎵）半導(dǎo)體材料相比，具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及強(qiáng)穩(wěn)定性等極端條件的新要求，從其材料優(yōu)越性來看，其應(yīng)用前景十分廣闊。具體分析來看：

第一，碳化硅材料的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅材料的10倍，是砷化鎵材料的8倍，因此更適用于制造高壓大功率器件，有利于提高封裝密度。

第二，碳化硅材料的熱導(dǎo)率是硅材料的3倍，因此碳化硅器件能夠更耐高溫，使其在更高功率環(huán)境下不需要增加散熱片系統(tǒng)體積，避免增加系統(tǒng)體積和質(zhì)量。

第三，碳化硅材料的飽和電子漂移速率是硅材料的2倍，因此能有效提高器件的開關(guān)速度，使其在高壓下可進(jìn)行高頻操作，而所需要的驅(qū)動(dòng)功率變小，驅(qū)動(dòng)電路能量損耗降低。

因此，碳化硅基半導(dǎo)體器件可在減少能量損失的同時(shí)，減小裝備體積，提高能源使用效率，在實(shí)現(xiàn)“碳中和”的大背景下，碳化硅材料將成為綠色經(jīng)濟(jì)的中流砥柱。

2 碳化硅材料將助力“碳中和”時(shí)代關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展

近幾年，隨著碳化硅材料、器件等技術(shù)工藝的成熟、制備成本的下降，使其在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用中持續(xù)滲透。碳化硅材料作為“碳中和”時(shí)代的一匹黑馬，其技術(shù)對(duì)于建成光伏、風(fēng)電等可循環(huán)的高效、高可靠性的清潔能源網(wǎng)絡(luò)起到至關(guān)重要的作用，同時(shí)將助力新能源汽車、軌道交通、直流特高壓輸電等領(lǐng)域，提高能源使用效率，降低能源生產(chǎn)成本，提高能源使用便利程度，有利于社會(huì)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)“碳中和”的發(fā)展目標(biāo)。

2.1 新能源汽車及充電樁應(yīng)用領(lǐng)域

新能源汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為打好節(jié)能減排和環(huán)境治理攻堅(jiān)戰(zhàn)的關(guān)鍵戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，世界各國(guó)紛紛將其提升至國(guó)家戰(zhàn)略。新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、車載充電器（OBC）、車載電源轉(zhuǎn)換（DC/DC）系統(tǒng)。此外，功率半導(dǎo)體器件在非車載充電樁領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用空間。目前，市場(chǎng)上銷售的新能源汽車所搭載的功率半導(dǎo)體器件多數(shù)為硅基器件，如硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和硅基金屬—氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。但隨著技術(shù)和產(chǎn)品的成熟，碳化硅半導(dǎo)體器件正加速在電動(dòng)汽車市場(chǎng)的滲透。研究機(jī)構(gòu)Yole Développement指出，采用碳化硅功率器件的整車可以很大程度上提高系統(tǒng)效率，有效減輕車身質(zhì)量，使得結(jié)構(gòu)更加緊密。

在新能源汽車中，逆變器是把主流電壓（動(dòng)力電池、蓄電池）轉(zhuǎn)化為交流電的設(shè)備，是汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件。目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)逆變器絕大部分是基于傳統(tǒng)硅基IGBT功率模塊的設(shè)計(jì)，存在開關(guān)頻率低、損耗大的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了新能源汽車驅(qū)動(dòng)器功率密度的提高。而碳化硅材料高飽和電子漂移速率使其能夠支持更快的開關(guān)速度，也就意味著在相同時(shí)間內(nèi)可轉(zhuǎn)化更多的電能，而相應(yīng)的開關(guān)損耗降低。與硅基IGBT相比，碳化硅基功率模塊可將開關(guān)損耗降低85%，電力損耗降低47%。與此同時(shí)，隨著開關(guān)損耗的降低，使得碳化硅器件能夠工作于20kHz以上開關(guān)頻率，進(jìn)而顯著減少無源器件的體積和成本。隨著新能源汽車技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的升級(jí)，獨(dú)立車載充電機(jī)的發(fā)展越來越受到集成化功率單元的挑戰(zhàn)，而碳化硅二極管（SBD）及碳化硅MOSFET器件可用于車載充電機(jī)功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)（PFC）和DC—DC次級(jí)整流環(huán)節(jié)，推動(dòng)車載充電機(jī)向雙向充放電、集成化、智能化、小型化、輕量化、高效化等方向發(fā)展。

特拉斯作為全球最先采用碳化硅逆變器的車企，目前已經(jīng)推出Model 3、Model Y以及Model S Plaid系列車型，均采用了碳化硅技術(shù)。Model 3車型采用了意法半導(dǎo)體推出的650V SiC MOSFET逆變器，相較采用硅基IGBT的車型，其續(xù)航能力顯著提升。我國(guó)汽車廠商比亞迪也于2020年推出了國(guó)內(nèi)首款采用高性能碳化硅MOSFET電機(jī)控制模塊的車型——比亞迪·漢（EV）。

充電樁方面，2021年5月20日，在國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步提升充換電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實(shí)施意見（征求意見稿）》的文件中提出，要加快推進(jìn)居住社區(qū)充電設(shè)施建設(shè)安裝，提升城鄉(xiāng)地區(qū)充、換電保障能力，逐步提高智能有序充電樁建設(shè)比例等內(nèi)容，足以看出國(guó)家對(duì)充電樁基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重視。相較于硅基功率器件，碳化硅基功率器件可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，因此可以滿足當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)充電樁高功率密度和超小體積的要求。另外，使用碳化硅器件可以使充電樁承受更大電壓，擁有更大充電電流，功率也就更大，進(jìn)而可以縮短充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速充電，對(duì)支撐新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)新能源的有效利用和發(fā)展起到了非常重要的作用。

根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，到2025年全球新能源汽車用碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到15.5億美元，2019—2025年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到38%，車用碳化硅“黃金10年”即將開啟。

2.2 軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域

作為最具可持續(xù)性的交通運(yùn)輸模式，軌道交通具有較大的運(yùn)輸能力、較高的準(zhǔn)時(shí)性、較高的安全性等特點(diǎn)，被列為國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的方向之一。其中，牽引變流器是機(jī)車大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心裝備。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，未來軌道交通將更符合綠色低碳的要求，而作為軌道交通大腦的牽引變流器，也將向著更小體積、更輕質(zhì)量的方向發(fā)展。碳化硅能夠有效提升開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，其高頻化可以進(jìn)一步降低無源器件的噪聲、溫度、體積與質(zhì)量，提升裝置應(yīng)用的機(jī)動(dòng)性、靈活性，已成為新一代牽引逆變器技術(shù)的主流發(fā)展方向。

在2021年3月，中國(guó)中車正式交付國(guó)內(nèi)首列碳化硅變流技術(shù)永磁直驅(qū)地鐵列車，并于6月通過中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備專業(yè)委員會(huì)專家評(píng)審。該列車采用全碳化硅牽引逆變器，經(jīng)裝車試驗(yàn)測(cè)試，同比傳統(tǒng)硅基IGBT牽引逆變器的傳動(dòng)系統(tǒng)，綜合能耗降低10%以上，牽引電機(jī)在中低速段噪聲同比下降5dB以上，溫升同比降低40℃以上。碳化硅器件在耐壓等級(jí)、工作溫度、開關(guān)損耗等方面的顯著優(yōu)勢(shì)，將有利于軌道交通對(duì)大容量、輕量化、節(jié)能高效變流器的需求，具有極大的應(yīng)用潛力。

2.3 光伏發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域

與傳統(tǒng)能源相比，太陽(yáng)能資源獲取便利，不受環(huán)境影響，可以稱為最清潔、可持續(xù)的能源類型。其中光伏逆變器是保障光伏發(fā)電系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán)?，F(xiàn)有光伏逆變器普遍采用硅基器件，其經(jīng)過40多年的發(fā)展，性能已經(jīng)接近理論極限。未來太陽(yáng)能光伏設(shè)備的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是提高效率，減小體積與質(zhì)量，提高可靠性，從根本上提升光伏逆變器的性能。為更加高效地利用新能源，碳化硅器件在逆變器中的廣泛應(yīng)用將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

碳化硅在太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用中比硅具有更多優(yōu)勢(shì)，其擊穿電壓是硅的10倍以上，碳化硅還具有比硅更低的導(dǎo)通電阻，柵極電荷和反向恢復(fù)電荷特性，以及更高的熱導(dǎo)率。因此碳化硅器件可以在更高的電壓、頻率和電流下切換，更有效地管理散熱。

使用碳化硅器件功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、減少溫度循環(huán)、延長(zhǎng)器件使用壽命，進(jìn)而降低生產(chǎn)、安裝和維護(hù)成本。

陽(yáng)光電源作為國(guó)內(nèi)最早使用碳化硅器件的組串逆變器廠商，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全球市場(chǎng)，逆變器故障率低于0.5%。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）預(yù)計(jì)，到2024年，全球可再生能源發(fā)電量將增長(zhǎng)50%。其中約有60%將以太陽(yáng)能光伏的形式出現(xiàn)。碳化硅器件可以增加太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，提高電能生產(chǎn)效率，降低能量損耗，因此碳化硅材料在光伏發(fā)電領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 特高壓輸電應(yīng)用領(lǐng)域

特高壓輸電同樣作為國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的領(lǐng)域之一，能夠大大提升我國(guó)電網(wǎng)的輸送能力。其中，功率器件是新能源發(fā)電以及輸變電環(huán)節(jié)的關(guān)鍵器件。由于硅基功率器件在大電壓、大功率量級(jí)方面的限制，使用傳統(tǒng)硅基器件設(shè)計(jì)需要多級(jí)子單元串聯(lián)，這將導(dǎo)致裝置可靠性降低，成本及損耗大幅增加。而碳化硅器件的耐壓是硅器件的8倍，電流密度是硅器件的3倍，頻率是硅器件的10倍，同時(shí)碳化硅器件的反向恢復(fù)損耗顯著降低，應(yīng)用于電力轉(zhuǎn)換裝置時(shí)具有效率高、頻率快、體積小、電能質(zhì)量好等優(yōu)異特性，因此碳化硅是制備高電壓、大功率器件的新興戰(zhàn)略性材料，在發(fā)電、配電、柔性直流輸電等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景具有巨大的應(yīng)用潛力，高壓大功率碳化硅器件必將會(huì)引起電力系統(tǒng)的革命性變化。

2.5 其他應(yīng)用領(lǐng)域

除了上述重大應(yīng)用領(lǐng)域外，碳化硅材料在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，可降低能耗30%～50%；在服務(wù)器電源領(lǐng)域，可以提高服務(wù)器電源的功率密度和效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中心建設(shè)整體成本降低，提高效率；在新一代通信領(lǐng)域，不僅可以提高信號(hào)傳輸效率，還可以保證傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，使通訊系統(tǒng)更穩(wěn)定運(yùn)行；在家電領(lǐng)域，應(yīng)用在空調(diào)的碳化硅SBD與傳統(tǒng)的硅基器件相比，正向?qū)▔航祵⒏。诟邷叵乱矊⒏€(wěn)定，功率因數(shù)校正效率將提升0.7%～1%。未來5年，隨著碳化硅半導(dǎo)體材料在材料生長(zhǎng)、器件制備等技術(shù)上的不斷突破，碳化硅半導(dǎo)體還將擁有更加廣闊的發(fā)展前景。

3 結(jié)語(yǔ)

“3060碳排放目標(biāo)”是我國(guó)政府立足新發(fā)展階段，貫徹“綠水青山就是金山銀山”的理念下做出的重大戰(zhàn)略決策，碳化硅材料作為“碳中和”時(shí)代的半導(dǎo)體黑馬，在光電、風(fēng)電、電動(dòng)汽車、充電樁、特高壓等高功率、中高開關(guān)頻率的應(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)碳化硅生產(chǎn)制造企業(yè)須加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，從襯底、外延、芯片到封裝、控制器設(shè)計(jì)制造以及應(yīng)用等各環(huán)節(jié)發(fā)力，務(wù)必實(shí)現(xiàn)自主可控，利用碳化硅的優(yōu)勢(shì)，為“碳中和”乃至“碳凈零”的目標(biāo)奮斗。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.012