電力電子系統(tǒng)能效，未來非他莫屬！

導(dǎo)讀：過去幾年，基于碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體器件的解決方案使用大幅增長，它將引發(fā)一場類似于蒸汽機(jī)一樣的產(chǎn)業(yè)革命，推動(dòng)這一市場的發(fā)展動(dòng)力來源與我們對于電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化。

面對日益嚴(yán)苛的能效要求，節(jié)能減碳已成為現(xiàn)今電子產(chǎn)品不可忽略的重要環(huán)節(jié)；傳統(tǒng)以硅為材料的功率半導(dǎo)體，正逐漸面臨發(fā)展瓶頸，而具有比硅更低導(dǎo)通電阻及更高切換速度的碳化硅（SiC）功率器件以其優(yōu)異的高耐壓、低損耗、高導(dǎo)熱率等優(yōu)異性能，有效實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化。

整個(gè)碳化硅（SiC）功率器件行業(yè)尚在起步階段。全球市場規(guī)模包括中國國內(nèi)市場規(guī)模都很小，2014年全球碳化硅（SiC）功率器件的市場規(guī)模為1.2億美元，相較硅功率器件的150億美元市場，碳化硅功率器件市場還很小，還不到硅（Si）功率器件的10%。

根據(jù)市場分析公司預(yù)計(jì)，2016-2020年，碳化硅功率器件的市場規(guī)模將保持25%的年增長速度，到2020年時(shí)可望達(dá)到4.5億美元以上的規(guī)模，市場對這一器件的接受度正進(jìn)入加速階段。

碳化硅（SiC）器件優(yōu)勢巨大

碳化硅（SiC）材料本身的寬禁帶、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、電子遷移率以及抗輻射特性使得碳化硅基的SBD以及MOSFET在高頻、高溫、高壓、高功率以及耐輻射的應(yīng)用場合相比硅基器件優(yōu)勢巨大。

1. 碳化硅材料應(yīng)用在高鐵領(lǐng)域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積；

2. 碳化硅材料應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，可降低能耗20%；

3. 碳化硅材料應(yīng)用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能50%；

4. 碳化硅材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率20%；

5. 碳化硅材料應(yīng)用在太陽能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上；

6. 碳化硅材料應(yīng)用在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，可節(jié)能30%-50%；

7. 碳化硅材料應(yīng)用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，可使電力損失降低60%，同時(shí)供電效率提高40%以上；

8. 碳化硅材料應(yīng)用在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低（全球300萬臺(tái)數(shù)據(jù)中心每小時(shí)耗電量約為3000萬千瓦）；

9. 碳化硅材料應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可顯著提高信號的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性；

10. 碳化硅材料可使航空航天領(lǐng)域，可使設(shè)備的損耗減小30%-50%，工作頻率高3倍，電感電容體積縮小3倍，散熱器重量大幅降低。

其實(shí)優(yōu)勢不單是體現(xiàn)在單個(gè)器件上，而是碳化硅基的功率器件作為電力電子的功率轉(zhuǎn)換中的核心部件，工作頻率、效率及耐溫的提升使得功率轉(zhuǎn)換（即整流或者逆變）模塊中對電容電感等被動(dòng)元件以及散熱片的要求大大降低，核心元件帶動(dòng)整個(gè)模塊系統(tǒng)的優(yōu)化才是最重要的。

面對日益嚴(yán)苛的能效要求，發(fā)達(dá)國家都非常重視碳化硅功率器件，很早就進(jìn)行了布局，加大研發(fā)力度。2014年伊始，當(dāng)時(shí)的美國總統(tǒng)奧巴馬親自主導(dǎo)成立了以碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。這一舉措的背后，是美國對以碳化硅半導(dǎo)體為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)力支持。據(jù)了解，這個(gè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)獲得美國聯(lián)邦和地方政府總計(jì)1.4億美元的合力支持。而早在2013年日本政府就將碳化硅納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%的節(jié)能要通過它來實(shí)現(xiàn)，創(chuàng)造清潔能源的新時(shí)代。

國內(nèi)對碳化硅（SiC）功率器件的研究始于20世紀(jì)末，直到2014年，國內(nèi)的碳化硅（SiC）二極管實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)化，但還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)，與國外的產(chǎn)業(yè)規(guī)模相比有很大差距。

國內(nèi)碳化硅（SiC）功率器件方面，西安電子科技大學(xué)、中電科技集團(tuán)13所和55所、清華大學(xué)、中國科學(xué)院、中車株洲時(shí)代電氣股份有限公司和國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院等都有一些此類器件的課題研究，但主要是理論研究以及器件結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)驗(yàn)室的一些研究成果。目前，國內(nèi)實(shí)現(xiàn)碳化硅（SiC）功率器件量產(chǎn)的只有泰科天潤半導(dǎo)體科技（北京）有限公司，其量產(chǎn)的肖特基二極管600～1700V系列各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2014年1月15日，國內(nèi)首款商業(yè)化碳化硅（SiC）肖特基二極管在泰科天潤通過了中國電力電子協(xié)會(huì)主持的產(chǎn)品鑒定。

目前成熟量產(chǎn)的碳化硅（SiC）功率器件更多是SBD，商用的碳化硅基MOSFET國際幾大廠如Cree、Infineon、RoHM等廠家也有量產(chǎn)器件，國內(nèi)應(yīng)該尚未走通整個(gè)SiC MOSFET的量產(chǎn)工藝。

國際廠商已經(jīng)在宣傳全碳化硅（SiC）功率模塊，用于PFC/UPS/PV/EV等應(yīng)用場景，國內(nèi)廠家由于僅有少數(shù)能量產(chǎn)碳化硅器件，而且還僅僅是SBD，開關(guān)器件國內(nèi)尚無人能量產(chǎn)，所以國內(nèi)的全碳化硅（SiC）功率模塊目前大部分是采用國外的功率器件，或者至少是MOSFET采用的是國外產(chǎn)品。

從2010年1月1日- 2015年10月底，美國碳化硅功率器件相關(guān)技術(shù)（含襯底晶體、外延、器件、模塊和系統(tǒng)等）的專利申請情況看，碳化硅功率器件經(jīng)歷了較大的發(fā)展，從產(chǎn)業(yè)上呈現(xiàn)了與前期不同的面貌。主要反映在2個(gè)方面：

1. 二極管技術(shù)不斷趨于成熟，除了軍用之外，在一些典型領(lǐng)域（服務(wù)器和光伏微逆變器等）開始了大規(guī)模應(yīng)用，三極管也開始進(jìn)入市場，并且與一些重要的下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域（電動(dòng)汽車，軌道交通）結(jié)合，一定程度上確立了產(chǎn)業(yè)界的普遍認(rèn)同，一些公司有了自己具體的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和時(shí)間表。

2. 各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條環(huán)節(jié)都出現(xiàn)競爭，導(dǎo)致質(zhì)量不斷提高，成本迅速持續(xù)下降，呈現(xiàn)典型的產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展特征。

目前阻礙碳化硅（SiC）功率器件大規(guī)模進(jìn)入市場的主要原因是制造成本和產(chǎn)品良率。雖說碳化硅基器件仍不便宜，但是被動(dòng)元件的節(jié)省以及散熱壓力的減小是的碳化硅基的功率模塊已然能做到接近0.25USD/瓦的價(jià)格，而且是在當(dāng)前終端市場很不成熟的條件下做到的，碳化硅外延片的尺寸的突破以及位錯(cuò)密度的持續(xù)降低，將會(huì)促進(jìn)成本的進(jìn)一步降低。

另外碳化硅功率器件的制約因素，其工藝本身的一些技術(shù)特性也有待攻關(guān)，因?yàn)楣韫β什牧陷^傳統(tǒng)硅材料硬度要大，晶圓尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)工藝技術(shù)目前還很難控制，因此目前硅功率產(chǎn)品的晶圓尺寸只能做到6英寸，相對于目前大部分硅功率器件都已經(jīng)向12英寸晶圓遷移的進(jìn)度，硅功率功率器件有些落后了，而這也將限制其成本控制的步伐。

總結(jié)：作為一種全新材料，碳化硅功率器件存在顯著的技術(shù)/成本瓶頸。同時(shí)，在其產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和公認(rèn)的技術(shù)發(fā)展路線。不同的產(chǎn)品/技術(shù)路線，對材料和工藝的要求、驅(qū)動(dòng)、可靠性都不相同，誰能最后脫穎而出，占據(jù)主流地位，對業(yè)者的生存發(fā)展是非?，F(xiàn)實(shí)的問題。