【在這些應(yīng)用領(lǐng)域，SiC將取代IGBT？】更高效智能的能源利用是當(dāng)今社會(huì)一個(gè)重中之重的話題。要想達(dá)到可持續(xù)發(fā)展，我們必須解決氣候變暖/資源緊缺、城市擴(kuò)張、人口激增以及數(shù)字化等多方面的問題。高效智能的能源利用反映到性能上，即更安全、更便捷、更清潔、更高效。要達(dá)到這四點(diǎn)，過去20年IGBT交了一份很好的答卷。但是到現(xiàn)在這個(gè)階段，如果要更上一層樓，再有一個(gè)質(zhì)的飛躍，那IGBT已經(jīng)捉襟見肘了。相比之下，碳化硅則是一種可以從量變到質(zhì)變實(shí)現(xiàn)很大飛躍的元器件，因此是業(yè)界非常重要的一個(gè)戰(zhàn)略方向。

碳化硅相比硅基半導(dǎo)體主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。提高性能——高溫、高壓、高頻/高速，包括損耗降低。功率密度提高，則對(duì)于同樣的電流，設(shè)備的尺寸可以做得更小。溝槽型的技術(shù)可以使失效率更低。頻率提高，則電容電感體積的要求可大大減少，系統(tǒng)尺寸也會(huì)大大減少。簡(jiǎn)化控制，降低系統(tǒng)成本。碳化硅目前的一個(gè)劣勢(shì)是相比IGBT成本比較高，但是由于它的高頻，散熱性能可以提高，電容電感尺寸要求可大大減少，因此可以降低系統(tǒng)的成本。

日前，英飛凌公司在深圳舉辦了“未來已來，英芯不怠”（即指碳化硅的未來已經(jīng)到來，我們不能再繼續(xù)等了）的技術(shù)研討會(huì)，會(huì)后英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部也舉辦了媒體見面會(huì)，會(huì)上，英飛凌大中華區(qū)工業(yè)功率控制事業(yè)部副總裁于代輝和英飛凌科技香港有限公司工業(yè)功率控制事業(yè)部總監(jiān)馬國(guó)偉博士為我們透露了好多的SiC的市場(chǎng)和技術(shù)細(xì)節(jié)。

于代輝表示，SiC應(yīng)用最快的應(yīng)該是電動(dòng)汽車充電、光伏及UPS。這些市場(chǎng)對(duì)性能要求較高，SiC可以滿足要求，使系統(tǒng)尺寸降低，效率提升。然后是牽引、電動(dòng)汽車車載充電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等。

他指出，目前還沒有跡象SiC可以全面取代IGBT，后者在某些領(lǐng)域還是會(huì)有優(yōu)勢(shì)的。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole預(yù)計(jì)，目前整個(gè)功率器件市場(chǎng)大概有一百多億歐元。而碳化硅到2020年市值才到4億美元，2022年到10億美元，和IGBT比還是有差距。“實(shí)際這個(gè)體量還是沒法比的，我認(rèn)為碳化硅是在一些特定領(lǐng)域，比如高精尖領(lǐng)域是有非常大的優(yōu)勢(shì)，可以取代IGBT。但是如果這是金字塔，它是金字塔尖那部分。因?yàn)槌杀疽埠苤匾?，畢竟IGBT比較成熟，我們沒有看到完全替代的跡象。”他說。

SiC適合太陽能的非標(biāo)應(yīng)用

SiC目前已經(jīng)有產(chǎn)品，是從1200V開始的（1200、1700、3300、6500V是工業(yè)中常見的幾個(gè)等級(jí)）。然后它會(huì)往更?。w積）、更大（功率）、更高（電壓）這三個(gè)方向發(fā)展。另外，碳化硅可以用來做非標(biāo)應(yīng)用?！芭e例來說，太陽能現(xiàn)在的方向是從1000V系統(tǒng)電壓走到1500V，因?yàn)檫@樣可以使效率提高，投資減少。但1500V對(duì)IGBT來說是一個(gè)非常尷尬的電壓——1000V系統(tǒng)電壓可以用1200V的器件處理，1500V系統(tǒng)電壓用什么器件來處理？用1700V裕量不夠，缺陷率很高。上一個(gè)等級(jí)，3300V，相差又太遠(yuǎn)，成本不劃算。所以現(xiàn)在的做法是用三電平，即把兩個(gè)1200V的串起來，等效2400V。因此，1700和3300V之間有很多空間可以發(fā)展?！彼a(bǔ)充說。

溝槽之于平面的優(yōu)勢(shì)

前面談到，溝槽技術(shù)相比平面技術(shù)可以降低失效率。馬國(guó)偉解釋說，首先，要用三言兩語來準(zhǔn)確解釋元胞結(jié)構(gòu)是非常困難的。溝槽技術(shù)簡(jiǎn)單來說有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即可靠性和性能，但前提是有了可靠性才有性能。溝槽可以提高可靠性，原因是同一個(gè)碳化硅晶體結(jié)構(gòu)上，平面跟側(cè)面的缺陷密度可能相差50倍，使用平面作通道會(huì)增加故障率，因此現(xiàn)在改用溝槽技術(shù)。

平面技術(shù)有它的難處，溝槽技術(shù)也有它的難處。平面技術(shù)的難處是只有靠提高門極氧化層電場(chǎng)這一個(gè)解決辦法，但這會(huì)犧牲可靠性。溝槽技術(shù)的難處在于在關(guān)斷狀態(tài)，溝槽的尖角會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)。因此對(duì)所有溝槽的設(shè)計(jì)，都要考慮溝槽產(chǎn)生的高電場(chǎng)如何得到屏蔽。

SiCvs.IGBT的驅(qū)動(dòng)問題

那在取代IGBT方面，在驅(qū)動(dòng)方面碳化硅跟IGBT會(huì)否有很大的不一樣呢？馬國(guó)偉表示，驅(qū)動(dòng)技術(shù)是影響碳化硅器件落地的一個(gè)重點(diǎn)，SiC與IGBT驅(qū)動(dòng)方式二者之間既有相同也有不同，目前SiC在器件方面和IGBT已經(jīng)做到很接近，比如門極電壓范圍已經(jīng)做得很接近，但是畢竟碳化硅是開關(guān)速度很高的大功率器件，驅(qū)動(dòng)任何高速的大功率器件都要很小心，因?yàn)殡s散電感會(huì)產(chǎn)生振蕩，而容易產(chǎn)生誤觸發(fā)。

碳化硅一方面開關(guān)速度很快，第二方面驅(qū)動(dòng)電流要求較低，但是保護(hù)的時(shí)候，反應(yīng)速度要快很多——IGBT有10μs時(shí)間可以處理危險(xiǎn)狀況，SiC則是3μs。對(duì)此，英飛凌有專用的系統(tǒng)芯片，能夠在指定的3μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。英飛凌對(duì)此做過試驗(yàn)，能夠關(guān)斷一類短路和二類短路。對(duì)IGBT來說，二類短路是最危險(xiǎn)的，也是最難做保護(hù)的。而對(duì)碳化硅來說，二類保護(hù)沒有特別的不同。英飛凌已經(jīng)有相關(guān)報(bào)告，可以提供現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。

大功率充電樁：IGBT頻率達(dá)不到，必須要上SiC

那碳化硅充電樁項(xiàng)目會(huì)比現(xiàn)在普通的充電樁效能會(huì)提高多少呢？馬國(guó)偉回答說：“我借用客戶的話，客戶關(guān)心的是功率。300kW充電樁需要好多模塊并聯(lián)出來的，每個(gè)模塊達(dá)到幾十kW。在這個(gè)有限的空間里要提高功率并同時(shí)降低功耗，那就必須要提高頻率。在700V的輸出電壓下要做到100kHz開關(guān)頻率，技術(shù)上在IGBT是不可能的，因?yàn)轭l率要比正常的IGBT工況高10倍，損耗太大。所以這時(shí)候技術(shù)上唯一選擇就是碳化硅。這是為什么在我們看來是第一個(gè)走出來的應(yīng)用，而且是自然必定會(huì)走出來的應(yīng)用，因?yàn)樗菑那白霾坏降囊粋€(gè)技術(shù)?！?/p>

充電時(shí)間縮短，續(xù)航能力增強(qiáng)，可以不需要那么多充電樁

另外，他指出，碳化硅充電樁應(yīng)用要靠政府推動(dòng)。對(duì)于北京上海這樣的大城市，充電樁成本是一方面，但更大的問題是用地。“首先，如果政府愿意去補(bǔ)貼充電樁，讓一個(gè)大城市里每10公里半徑內(nèi)就有一個(gè)充電樁，在高速公路上有相應(yīng)的充電設(shè)施。這個(gè)網(wǎng)布好了，現(xiàn)在講電動(dòng)車充電。我們不是講多少時(shí)間充滿，而是講充一次電可以讓你跑多少公里。我足夠讓你跑到幾個(gè)站，或者夠你跑一天，那就肯定足夠了。如果再有一個(gè)大概的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，15分鐘20分鐘，時(shí)間定了，續(xù)航能力也定了，差不多充電的功率也能算得出來?！彼f，“所以，現(xiàn)在充電器都是幾百kW的等級(jí)。要把幾百kW的充電器放在一個(gè)小小的箱子里，就需要碳化硅。”

于代輝補(bǔ)充說，充電樁遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上電動(dòng)汽車的發(fā)展，其實(shí)是越來越?jīng)]有地方安裝充電樁了。小區(qū)都安滿之后，不是很容易，地方就那么多。然而，如果將碳化硅引進(jìn)來，反而不見得需要那么多充電樁，因?yàn)閱蝹€(gè)充電樁的充電時(shí)間減短了，續(xù)航里程拉長(zhǎng)了，其實(shí)對(duì)充電樁的數(shù)量需求反而是減少了。另外，對(duì)于小區(qū)來說，由于充電時(shí)間縮短，還可以幾戶人共用一個(gè)充電樁。

新能源汽車用SiC之于工業(yè)用的區(qū)別

對(duì)于新能源汽車的動(dòng)力部分，他表示，第一，它跟工業(yè)應(yīng)用的電壓不同——是650V而不是1200V。650V對(duì)于碳化硅來說，有點(diǎn)殺雞用牛刀的味道——用高壓器件去做低壓的事情。第二，溫度循環(huán)不同。溫度循環(huán)要求很高，對(duì)碳化硅來說是一個(gè)要處理的難題。當(dāng)然，還有大功率密度。碳化硅器件可以很容易地實(shí)現(xiàn)大功率密度，但對(duì)汽車應(yīng)用也需要新的封裝。它與工業(yè)用的不同，工業(yè)環(huán)境相對(duì)比較好，可以把封裝做成很便于布局。但汽車不可以，它還是要用比較傳統(tǒng)的封裝。

空調(diào)廠引入SiC去做競(jìng)賽……

另外，于代輝透露，目前有幾家大的空調(diào)廠，他們也對(duì)SiC感興趣，因?yàn)樗梢怨?jié)省電費(fèi)。“用戶買了看初期投資，你就優(yōu)勢(shì)少一點(diǎn)，但把省下來的電費(fèi)給他算進(jìn)去就是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。我認(rèn)為這還屬于一個(gè)創(chuàng)新階段?！彼f。

馬國(guó)偉補(bǔ)充說：“國(guó)內(nèi)某空調(diào)廠商希望要上品牌而考慮使用SiC，因?yàn)槭窍Ｍ脕碜龀鲎罡吣苄У目照{(diào)去日本競(jìng)賽能效獎(jiǎng)，以提高品牌價(jià)值……”