市場對高效、清潔和可持續能源解決方案的需求日益增長，這推動了功率半導體行業的發展，也要求人們更加關注先進材料。在各種先進材料中，碳化硅?(SiC)?作為一項顛覆性技術脫穎而出，它與傳統硅基器件相比優勢明顯。
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、工業用品等多種應用場景中的影響，以突出展示其在電子產品變革中的關鍵作用。
對碳化硅技術進行商業化應用時，需要持續關注材料缺陷、器件可靠性和相關封裝技術。本文還將向研究人員和專業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實現高效且可靠的解決方案。
I.?簡介
電力電子技術幾乎已經融入到我們生活中的方方面面。電力電子技術的發展與材料科學、半導體器件技術和系統設計方面的技術進步緊密相連。自半導體材料發明以來，電子設備獲得了空前提升，開創了一個新的時代。隨著硅材料和器件的躍進，半導體技術開始具有可擴展性和高適應性，而電力電子領域也成為了所有電子系統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的發展開辟了新天地，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換為另一種形式，同時提高系統的功能性和可靠性，從而將電力電子技術拓展到可再生能源系統、電動汽車和智能電網等重要領域。
II.?半導體領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。通過可靠的開關功能，這些器件能夠對電壓和電流進行控制處理；但是，它們受到開關速度較慢和控制能力低下的限制。隨著硅技術的發展，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)?器件技術得以實現商業化，可提供更強大的電氣特性。1979?年，MOSFET?發明問世，其開關速度更快、工作頻率更高，非常適合中低電壓應用。1985?年，IGBT?推出，其結合了?MOSFET?和雙極晶體管的優點，具有更高電壓能力、更快開關速度和更高效率，催生了電力電子系統的巨大進步，推動了先進電路拓撲和控制方法的發展。
圖?1：功率半導體技術的演變?[1]
這些技術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。
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圖?2：硅、碳化硅和氮化鎵關鍵性能參數比較。
Wolfspeed?于?2011?年推出了業界首款碳化硅?MOSFET，自此后一直引領從硅到碳化硅的轉型，為功率轉換器技術開辟了新天地，這在本文所述的多種應用中均有體現。
III.?可持續發展未來
電力電子技術是實現高效電能轉換、調節和控制的基礎技術。對于在可再生能源發電、電動汽車和工業自動化等多個行業中部署可持續能源解決方案，該領域中的創新至關重要。
A.?電動汽車?(EV)
在向可持續發展未來轉型的過程中，電動汽車扮演著至關重要的角色，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，電力電子設備通過逆變器、轉換器和電機控制器等關鍵組件，來管理和控制電池、電機及輔助系統之間的電力流。這些系統能夠實現多種功能，例如：將電池中的直流電?(DC)?轉換為電機所需的交流電?(AC)，調節各種車輛系統的電壓水平，管理電池的充電和放電，以及實現再生制動以重新捕獲能量。隨著碳化硅材料和器件技術日趨成熟，現在可以在碳化硅中開發出既可靠又堅固的電力系統，同時不影響效率或可持續性。根據麥肯錫最近發布的一份報告，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
負責將?EV?從?A?點行駛至?B?點的最核心、最關鍵的系統是電動汽車動力總成系統。電動汽車的動力系統負責處理儲存在車輛電池系統中的能量，并將其輸送到車輪。驅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?的持續演變使得工程師能夠設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速度。通過在電動汽車的動力總成系統中采用碳化硅?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設計人員有機會采用比傳統設計更小、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構中。
圖?3：CRD300DA12E-XM3?300 kW 800 V?直流母線標稱三相逆變器。
A.2.?快速充電系統
全球范圍都在向電動汽車轉型，因此要求充電基礎設施實現重大進展，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，而且碳化硅開關比硅開關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，但長途旅行和商業應用卻需要大幅縮短充電時間，接近傳統加油站的加油速度。要實現這樣的更高充電速度，要求電池技術取得同步發展，并且開發出能夠支持快速能量傳輸且穩固可靠的高功率充電基礎設施。碳化硅可實現更高開關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的需求，正在引入中壓等級技術。
A.3.?車載充電系統
車載電池充電機是電動汽車保持動力的關鍵：充電機將車主家中的交流電轉換為直流電，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，這些系統在輸出、尺寸和速度方面都表現出了高效性。對于基于碳化硅的車載充電系統，如果設計中具備雙向能量傳輸功能，則既能從電網接收能量，又能將能量回饋給電網，從而有助于穩定將來的電網，甚至能在停電期間為車主的重要家用系統供電。
A.4.?車載DC/DC?轉換器
在現代汽車中，特別是電動汽車中，車載?DC/DC?轉換器發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，對電力的需求不斷升高。這類轉換器負責轉換和調節來自電池的直流電，為相互依賴的各個系統提供正確的電壓，從而確保實時性能，防止因故障而影響車輛運行。碳化硅技術的進步正在革新這些?DC/DC?轉換器的效率和性能。與傳統硅元件相比，碳化硅器件的電氣和熱性能更優。它們能夠減少開關和傳導損耗以實現更高運行效率，這不僅改善了能量轉換，而且還最大限度地減少了發熱。碳化硅器件能夠在更高溫度和更快開關速度下工作，從而增強復雜車輛系統實時調節電壓的能力。此外，這些先進技術還使功率轉換器體積更小、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，占全球發電能力的三分之一，而碳化硅技術在提高下一代儲能、太陽能和風能系統的效率和功率密度方面扮演著舉足輕重的作用。根據國際能源署(IEA)?的數據，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電量的?42%?以上，其中風能和太陽能光伏發電將占?25%。要在可再生能源方面實現更高的投資回報率，特別是太陽能和風能，需要持續提高效率、容量、功率密度和成本效益。Wolfspeed?最近與領先的地面電站可再生能源逆變器制造商?EPC?合作，實現了模塊化兩級系統架構，如圖?4?所示。這種獨特的功率設計最終可實現低維護、易維修且可大規模生產的逆變器方法，從而支持快速部署可再生能源。有關如何利用?SiC?簡化以前的三級系統的更多信息，請參閱?Wolfspeed?案例分析?[4]。
圖?4：采用?1200 V IGBT?的復雜?3?級?NPC?系統架構（左）
與采用?2300 V WolfPACK?功率模塊的大幅簡化?2?級系統（右）的比較。簡化后的?2?級系統減少了驅動器數量，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據中心的影響
人工智能?(AI)?正推動市場對數據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：美國數據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，數據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，但碳化硅技術提供的解決方案更具實用性和成本效益。碳化硅器件發熱量較少，并且在高溫環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%，或將系統尺寸縮小?40%。如果全球所有數據中心都用碳化硅取代硅基元件，那么節省的能源可供曼哈頓地區使用一整年。在過去十年間，全球法規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，而且還能確保數據中心符合不斷變化的監管要求，同時最大限度減輕環境影響、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、高質量碳化硅材料的需求日益增長。這些高質量襯底和晶圓對于實現最佳器件性能與可靠性至關重要，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，尤其是在高壓系統中。Wolfspeed?不斷改進生產工藝，生產出質量更高、直徑更大且性能更穩定的碳化硅晶體，從而提高可靠性和效率，如圖?6?所示。在過去幾十年中，碳化硅技術已經從實驗階段發展到廣泛商用階段，克服了早期在制造穩定性和成本方面存在的挑戰。
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?[6]，也為未來的發展構筑了基石。1987?年，碳化硅技術先行者?Cree Inc.（現為?Wolfspeed）成立；到?1992?年，該公司生產出第一片商用碳化硅襯底，標志著技術上的重大飛躍。隨著零微管?(ZMP)?襯底的推出，實現了巨大突破，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?毫米碳化硅技術不斷完善，凸顯了實現碳化硅材料和器件在實現穩定性、大批量生產和質量一致性的重要性，如圖?7?所示。這些進步使得碳化硅技術在全球范圍內趨于成熟，能夠應用于上述復雜系統中。
V.?碳化硅技術的未來趨勢
碳化硅技術的持續創新正在塑造電力電子技術的未來，發展趨勢已不僅僅是傳統的可靠性問題，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)?技術必須應對這些眾多應用實例所在的挑戰性環境。功率組件供應商在評估用于在高壓、高頻應用中實現最佳性能的關鍵措施時，必須超越數據表來考慮關鍵的可靠性標準，并考量哪些改進甚至規范對于確保更高耐用性至關重要。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)?產生重大影響。對于可再生能源設施，可能需關注設施在潮濕環境中的性能，因此可能需要滿足溫度-濕度偏差?(THB)?規范。隨著建筑及農用車輛?(CAV)?日益實現電氣化（圖?8），其中的器件必須承受因使用條件而產生的高溫，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的持續發展以釋放未來潛力?[7]。
寬禁帶組件供應商需要了解耐久性設計所帶來的日益嚴峻的挑戰，并認真權衡設計上的取舍，以實現適當的性能，同時確保碳化硅在商業上仍能被長期使用的基于?IGBT?的可靠系統所接受。除了器件設計和加工創新之外，先進封裝技術也將至關重要，其通過解決惡劣環境中常見的熱、電和機械問題，來充分發揮碳化硅的優勢。
圖?8：建筑和農業設備?OEM?正在考慮如何使主逆變器與推進系統之外的子系統實現電動化。
電力電子技術領域的另一個明顯趨勢是，從單獨功率轉換器轉變為集成度更高的系統，同時更加強調整體能源管理，而非孤立電源功能。這種轉變涉及分析各系統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。此轉變也反映了功率轉換器技術的不斷發展，其推動因素包括碳化硅等半導體器件取得的突破、新電路拓撲結構、創新型控制策略以及無縫式系統集成。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域的發展趨勢。
小結
從硅到碳化硅的轉型是電力電子領域中難得一遇的技術變革。與傳統硅相比，碳化硅具有更優越的材料特性，如更高熱導率、更高擊穿電壓和更快開關速度，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的進步并持續大批量提供高質量碳化硅產品，這種轉變已不僅僅是一種漸進式改進，而是一種基礎性變革，使各行各業均實現了前所未有的性能水平。通過利用碳化硅技術，各行業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域的重大轉折點，因為它開啟了以往無法通過硅實現的各種可能性，為未來數十年的能源管理和功率轉換技術塑造了光明前景。
參考文獻
1.Lorenz L., Erlbacher T., Hilt O., Future technology trends, Wide Bandgap Power Semiconductor Packaging: Materials, Components, and Reliability, pp. 3-53. 2018
2.McKinsey & Company, “Managing uncertainty in the silicon carbide wafer market,” Aug. 2024
3.International Energy Agency (IEA), “Renewables 2023,” License; CC BY 4.0, Apr. 2024
4.Magargee, “Keeping the lights on with Wolfspeed SiC,” Aug. 2024
5.EPRI, “Powering Intelligence: Analyzing Artificial Intelligence and Data Center Energy Consumption,” May 2024.
6.Yu. M. Tairov, V.F Tsvetkov “Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals,” Journal of Crystal Growth, March 1978
7.Wheri Z., Godbold V., Schlegel M., Hudgins J.L. “Oxide Failures in SiC Power MOSFETs,” IEEE, Oct. 2023
(文章來源：Wolfspeed)