【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)今社會一個重中之重的話題。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，過去20年IGBT交了一份很好的答卷。但是到現(xiàn)在這個階段，如果要更上一層樓，再有一個質(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)變實現(xiàn)很大飛躍的元器件，因此是業(yè)界非常重要的一個戰(zhàn)略方向。

碳化硅相比硅基半導(dǎo)體主要有以下幾個特點。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)尺寸也會大大減少。簡化控制，降低系統(tǒng)成本。碳化硅目前的一個劣勢是相比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，會后英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部也舉辦了媒體見面會，會上，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)馬國偉博士為我們透露了好多的SiC的市場和技術(shù)細(xì)節(jié)。

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

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)域還是會有優(yōu)勢的。據(jù)市場研究機構(gòu)Yole預(yù)計，目前整個功率器件市場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?！皩嶋H這個體量還是沒法比的，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，可以取代IGBT。但是如果這是金字塔，它是金字塔尖那部分。因為成本也很重要，畢竟IGBT比較成熟，我們沒有看到完全替代的跡象?！彼f。

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)中常見的幾個等級）。然后它會往更?。w積）、更大（功率）、更高（電壓）這三個方向發(fā)展。另外，碳化硅可以用來做非標(biāo)應(yīng)用。“舉例來說，太陽能現(xiàn)在的方向是從1000V系統(tǒng)電壓走到1500V，因為這樣可以使效率提高，投資減少。但1500V對IGBT來說是一個非常尷尬的電壓——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。上一個等級，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充說。

溝槽之于平面的優(yōu)勢

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)簡單來說有兩個優(yōu)點，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這一個解決辦法，但這會犧牲可靠性。溝槽技術(shù)的難處在于在關(guān)斷狀態(tài)，溝槽的尖角會產(chǎn)生強電場。因此對所有溝槽的設(shè)計，都要考慮溝槽產(chǎn)生的高電場如何得到屏蔽。

SiCvs.IGBT的驅(qū)動問題

那在取代IGBT方面，在驅(qū)動方面碳化硅跟IGBT會否有很大的不一樣呢？馬國偉表示，驅(qū)動技術(shù)是影響碳化硅器件落地的一個重點，SiC與IGBT驅(qū)動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)動任何高速的大功率器件都要很小心，因為雜散電感會產(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)動電流要求較低，但是保護的時候，反應(yīng)速度要快很多——IGBT有10μs時間可以處理危險狀況，SiC則是3μs。對此，英飛凌有專用的系統(tǒng)芯片，能夠在指定的3μs內(nèi)實現(xiàn)關(guān)斷。英飛凌對此做過試驗，能夠關(guān)斷一類短路和二類短路。對IGBT來說，二類短路是最危險的，也是最難做保護的。而對碳化硅來說，二類保護沒有特別的不同。英飛凌已經(jīng)有相關(guān)報告，可以提供現(xiàn)成的驅(qū)動產(chǎn)品。

大功率充電樁：IGBT頻率達(dá)不到，必須要上SiC

那碳化硅充電樁項目會比現(xiàn)在普通的充電樁效能會提高多少呢？馬國偉回答說：“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，每個模塊達(dá)到幾十kW。在這個有限的空間里要提高功率并同時降低功耗，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，因為頻率要比正常的IGBT工況高10倍，損耗太大。所以這時候技術(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走出來的應(yīng)用，而且是自然必定會走出來的應(yīng)用，因為它是從前做不到的一個技術(shù)。”

充電時間縮短，續(xù)航能力增強，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。對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，如果政府愿意去補貼充電樁，讓一個大城市里每10公里半徑內(nèi)就有一個充電樁，在高速公路上有相應(yīng)的充電設(shè)施。這個網(wǎng)布好了，現(xiàn)在講電動車充電。我們不是講多少時間充滿，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站，或者夠你跑一天，那就肯定足夠了。如果再有一個大概的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，15分鐘20分鐘，時間定了，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。要把幾百kW的充電器放在一個小小的箱子里，就需要碳化硅。”

于代輝補充說，充電樁遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上電動汽車的發(fā)展，其實是越來越?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，如果將碳化硅引進來，反而不見得需要那么多充電樁，因為單個充電樁的充電時間減短了，續(xù)航里程拉長了，其實對充電樁的數(shù)量需求反而是減少了。另外，對于小區(qū)來說，由于充電時間縮短，還可以幾戶人共用一個充電樁。

新能源汽車用SiC之于工業(yè)用的區(qū)別

對于新能源汽車的動力部分，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對于碳化硅來說，有點殺雞用牛刀的味道——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，對碳化硅來說是一個要處理的難題。當(dāng)然，還有大功率密度。碳化硅器件可以很容易地實現(xiàn)大功率密度，但對汽車應(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去做競賽……

另外，于代輝透露，目前有幾家大的空調(diào)廠，他們也對SiC感興趣，因為它可以節(jié)省電費。“用戶買了看初期投資，你就優(yōu)勢少一點，但把省下來的電費給他算進去就是一個優(yōu)勢。我認(rèn)為這還屬于一個創(chuàng)新階段?！彼f。

馬國偉補充說：“國內(nèi)某空調(diào)廠商希望要上品牌而考慮使用SiC，因為是希望用來做出最高能效的空調(diào)去日本競賽能效獎，以提高品牌價值……”