“碳中和”时代的半导体黑马——碳化硅

刘祎晨 林雪如

为应对全球气候变化带来的挑战，2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出：中国力争在2030年前达到碳排放峰值，在2060年前实现“碳中和”。我国政府在2021年的《政府工作报告》和《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中，均提出要推进绿色低碳发展，努力做好“碳达峰、碳中和”工作，并于2021年5月正式成立了“碳达峰”“碳中和”工作领导小组”。那么“碳达峰”“碳中和”究竟是什么？“碳达峰”是指二氧化碳排放量在到达某一时刻后达到峰值，不再继续增长，之后逐步回落。“碳中和”则是指通过二氧化碳去除手段抵消自身产生的二氧化碳排放量，达到相对“净零排放”。

当前，我国正在经历“碳达峰”阶段，并逐步过渡到“碳中和”时代。如何遏制全球变暖，实现“碳中和”是当前我国面临的重要课题。应对气候问题的核心关键是控制“碳排放”，在“控碳”的过程之中，必然会经历“碳达峰”，而后才会实现“碳中和”。这是一个系统工程：一方面通过技术创新，实现能源结构的转型，如加大对以风电、光伏为代表的新能源比例的利用；另一方面完成节能环保新技术、新设备和产品的突破与开发，提高能源使用效率。当前我国大力发展的新能源汽车、智能电网、光伏、储能等低碳新产业、新技术将会成为非常重要的市场领域，这其中，碳化硅功率半导体将扮演非常重要的角色。

1 碳化硅材料的性能优势

碳化硅半导体材料作为第3代半导体材料的典型代表，与第1代（如硅）、第2代（如砷化镓）半导体材料相比，具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及强稳定性等极端条件的新要求，从其材料优越性来看，其应用前景十分广阔。具体分析来看：

第一，碳化硅材料的临界击穿电场强度是硅材料的10倍，是砷化镓材料的8倍，因此更适用于制造高压大功率器件，有利于提高封装密度。

第二，碳化硅材料的热导率是硅材料的3倍，因此碳化硅器件能够更耐高温，使其在更高功率环境下不需要增加散热片系统体积，避免增加系统体积和质量。

第三，碳化硅材料的饱和电子漂移速率是硅材料的2倍，因此能有效提高器件的开关速度，使其在高压下可进行高频操作，而所需要的驱动功率变小，驱动电路能量损耗降低。

因此，碳化硅基半导体器件可在减少能量损失的同时，减小装备体积，提高能源使用效率，在实现“碳中和”的大背景下，碳化硅材料将成为绿色经济的中流砥柱。

2 碳化硅材料将助力“碳中和”时代关键应用领域发展

近几年，随着碳化硅材料、器件等技术工艺的成熟、制备成本的下降，使其在新能源领域的应用中持续渗透。碳化硅材料作为“碳中和”时代的一匹黑马，其技术对于建成光伏、风电等可循环的高效、高可靠性的清洁能源网络起到至关重要的作用，同时将助力新能源汽车、轨道交通、直流特高压输电等领域，提高能源使用效率，降低能源生产成本，提高能源使用便利程度，有利于社会节能减排，实现“碳中和”的发展目标。

2.1 新能源汽车及充电桩应用领域

新能源汽车产业已经成为打好节能减排和环境治理攻坚战的关键战略性新兴产业，世界各国纷纷将其提升至国家战略。新能源汽车系统架构中涉及功率半导体应用的组件包括电机驱动器、车载充电器（OBC）、车载电源转换（DC/DC）系统。此外，功率半导体器件在非车载充电桩领域也有一定的应用空间。目前，市场上销售的新能源汽车所搭载的功率半导体器件多数为硅基器件，如硅基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和硅基金属—氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。但随着技术和产品的成熟，碳化硅半导体器件正加速在电动汽车市场的渗透。研究机构Yole Développement指出，采用碳化硅功率器件的整车可以很大程度上提高系统效率，有效减轻车身质量，使得结构更加紧密。

在新能源汽车中，逆变器是把主流电压（动力电池、蓄电池）转化为交流电的设备，是汽车电机驱动器中实现能量转化的关键部件。目前电动汽车驱动逆变器绝大部分是基于传统硅基IGBT功率模块的设计，存在开关频率低、损耗大的缺点，严重制约了新能源汽车驱动器功率密度的提高。而碳化硅材料高饱和电子漂移速率使其能够支持更快的开关速度，也就意味着在相同时间内可转化更多的电能，而相应的开关损耗降低。与硅基IGBT相比，碳化硅基功率模块可将开关损耗降低85%，电力损耗降低47%。与此同时，随着开关损耗的降低，使得碳化硅器件能够工作于20kHz以上开关频率，进而显著减少无源器件的体积和成本。随着新能源汽车技术的进步和产品设计的升级，独立车载充电机的发展越来越受到集成化功率单元的挑战，而碳化硅二极管（SBD）及碳化硅MOSFET器件可用于车载充电机功率因数校正环节（PFC）和DC—DC次级整流环节，推动车载充电机向双向充放电、集成化、智能化、小型化、轻量化、高效化等方向发展。

特拉斯作为全球最先采用碳化硅逆变器的车企，目前已经推出Model 3、Model Y以及Model S Plaid系列车型，均采用了碳化硅技术。Model 3车型采用了意法半导体推出的650V SiC MOSFET逆变器，相较采用硅基IGBT的车型，其续航能力显著提升。我国汽车厂商比亚迪也于2020年推出了国内首款采用高性能碳化硅MOSFET电机控制模块的车型——比亚迪·汉（EV）。

充电桩方面，2021年5月20日，在国家发展和改革委员会、国家能源局发布的《关于进一步提升充换电基础设施服务保障能力的实施意见（征求意见稿）》的文件中提出，要加快推进居住社区充电设施建设安装，提升城乡地区充、换电保障能力，逐步提高智能有序充电桩建设比例等内容，足以看出国家对充电桩基础设施建设的重视。相较于硅基功率器件，碳化硅基功率器件可以实现更高的开关频率，因此可以满足当前市场对充电樁高功率密度和超小体积的要求。另外，使用碳化硅器件可以使充电桩承受更大电压，拥有更大充电电流，功率也就更大，进而可以缩短充电时间，实现快速充电，对支撑新能源汽车产业发展，实现新能源的有效利用和发展起到了非常重要的作用。

根据Yole的数据，到2025年全球新能源汽车用碳化硅功率器件市场规模将达到15.5亿美元，2019—2025年复合增长率达到38%，车用碳化硅“黄金10年”即将开启。

2.2 轨道交通应用领域

作为最具可持续性的交通运输模式，轨道交通具有较大的运输能力、较高的准时性、较高的安全性等特点，被列为国家新型基础设施建设的方向之一。其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备。随着国家对环境保护的日益重视，未来轨道交通将更符合绿色低碳的要求，而作为轨道交通大脑的牵引变流器，也将向着更小体积、更轻质量的方向发展。碳化硅能够有效提升开关频率，降低开关损耗，其高频化可以进一步降低无源器件的噪声、温度、体积与质量，提升装置应用的机动性、灵活性，已成为新一代牵引逆变器技术的主流发展方向。

在2021年3月，中国中车正式交付国内首列碳化硅变流技术永磁直驱地铁列车，并于6月通过中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会专家评审。该列车采用全碳化硅牵引逆变器，经装车试验测试，同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统，综合能耗降低10%以上，牵引电机在中低速段噪声同比下降5dB以上，溫升同比降低40℃以上。碳化硅器件在耐压等级、工作温度、开关损耗等方面的显著优势，将有利于轨道交通对大容量、轻量化、节能高效变流器的需求，具有极大的应用潜力。

2.3 光伏发电应用领域

与传统能源相比，太阳能资源获取便利，不受环境影响，可以称为最清洁、可持续的能源类型。其中光伏逆变器是保障光伏发电系统高效、经济和稳定运行的重要一环。现有光伏逆变器普遍采用硅基器件，其经过40多年的发展，性能已经接近理论极限。未来太阳能光伏设备的技术发展趋势是提高效率，减小体积与质量，提高可靠性，从根本上提升光伏逆变器的性能。为更加高效地利用新能源，碳化硅器件在逆变器中的广泛应用将成为必然的发展趋势。

碳化硅在太阳能发电的应用中比硅具有更多优势，其击穿电压是硅的10倍以上，碳化硅还具有比硅更低的导通电阻，栅极电荷和反向恢复电荷特性，以及更高的热导率。因此碳化硅器件可以在更高的电压、频率和电流下切换，更有效地管理散热。

使用碳化硅器件功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、减少温度循环、延长器件使用寿命，进而降低生产、安装和维护成本。

阳光电源作为国内最早使用碳化硅器件的组串逆变器厂商，目前已经广泛应用于全球市场，逆变器故障率低于0.5%。根据国际能源署（IEA）预计，到2024年，全球可再生能源发电量将增长50%。其中约有60%将以太阳能光伏的形式出现。碳化硅器件可以增加太阳能转化效率，提高电能生产效率，降低能量损耗，因此碳化硅材料在光伏发电领域具有很广阔的应用前景。

2.4 特高压输电应用领域

特高压输电同样作为国家新型基础设施建设的领域之一，能够大大提升我国电网的输送能力。其中，功率器件是新能源发电以及输变电环节的关键器件。由于硅基功率器件在大电压、大功率量级方面的限制，使用传统硅基器件设计需要多级子单元串联，这将导致装置可靠性降低，成本及损耗大幅增加。而碳化硅器件的耐压是硅器件的8倍，电流密度是硅器件的3倍，频率是硅器件的10倍，同时碳化硅器件的反向恢复损耗显著降低，应用于电力转换装置时具有效率高、频率快、体积小、电能质量好等优异特性，因此碳化硅是制备高电压、大功率器件的新兴战略性材料，在发电、配电、柔性直流输电等多个应用场景具有巨大的应用潜力，高压大功率碳化硅器件必将会引起电力系统的革命性变化。

2.5 其他应用领域

除了上述重大应用领域外，碳化硅材料在工业电机领域，可降低能耗30%～50%；在服务器电源领域，可以提高服务器电源的功率密度和效率，进而实现大数据中心建设整体成本降低，提高效率；在新一代通信领域，不仅可以提高信号传输效率，还可以保证传输的安全性和稳定性，使通讯系统更稳定运行；在家电领域，应用在空调的碳化硅SBD与传统的硅基器件相比，正向导通压降将更小，在高温下也将更稳定，功率因数校正效率将提升0.7%～1%。未来5年，随着碳化硅半导体材料在材料生长、器件制备等技术上的不断突破，碳化硅半导体还将拥有更加广阔的发展前景。

3 结语

“3060碳排放目标”是我国政府立足新发展阶段，贯彻“绿水青山就是金山银山”的理念下做出的重大战略决策，碳化硅材料作为“碳中和”时代的半导体黑马，在光电、风电、电动汽车、充电桩、特高压等高功率、中高开关频率的应用中具有不可替代的优势。国内碳化硅生产制造企业须加强产业链建设，从衬底、外延、芯片到封装、控制器设计制造以及应用等各环节发力，务必实现自主可控，利用碳化硅的优势，为“碳中和”乃至“碳净零”的目标奋斗。

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