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SiC功率半导体技术:赋能绿色能源发展的未来

2024-03-28 15:49:21 谢宇恒 阅读:
中国的绿色能源产业正迎来前所未有的发展机遇。在IIC Shanghai 2024国际集成电路展览会暨研讨会同期举办的“2024国际绿色能源生态发展峰会”上蓉矽半导体副总裁、研发中心总经理高巍先生分享了有关于“SiC功率半导体技术对绿色能源发展的贡献”的主题演讲……

随着全球气候变化的影响日益加剧,绿色能源的重要性已成为全球共识。中国作为世界上最大的碳排放国之一,面临着巨大的环境压力和国际责任。为了应对这一挑战,中国政府已经制定了宏伟的目标和蓝图:计划在2030年达到碳排放峰值,在2060年实现碳中和。这一目标对中国来说是一个巨大的挑战,因为它意味着中国只有30年的时间来实现这一转变。CaLednc

在这一背景下,中国的绿色能源产业也迎来了前所未有的发展机遇。在IIC Shanghai 2024国际集成电路展览会暨研讨会同期举办的“2024国际绿色能源生态发展峰会”上蓉矽半导体副总裁、研发中心总经理高巍先生分享了有关于“SiC功率半导体技术对绿色能源发展的贡献”的主题演讲。CaLednc

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蓉矽半导体副总裁、研发中心总经理高巍CaLednc

提升风光储能系统支撑绿色电力时代

功率半导体器件是实现高效能源转换的关键,尤其是在风光储能系统中。这些系统的电压范围通常在1200V到3000V之间。加之近年来所提出的新型1500V储能系统的概念,这对半导体器件的耐压等级提出了更高的要求。CaLednc

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光伏储能系统的基本拓扑结构相对简单,一般包括前端的功率因数校正(PFC)和后端的DC-AC inverter。传统上,这些系统主要依赖于硅基绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。然而,随着新型1500V储能系统对2000V耐压等级的半导体器件性能要求的日益增加,已经难以满足需求。CaLednc

在前端Boost架构中,全碳化硅方案相比传统碳化硅结构,可以实现约0.18%的效率提升。而在后端全桥DC-AC inverter部分,全IGBT方案转向全碳化硅方案后,整体效率可提升0.45%,并且系统整体温度可降低约18度。这些改进不仅提高了能源转换效率,还实现了更小的体积和更高的功率密度。CaLednc

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根据蓉矽半导体对整个光伏测试的结果,碳化硅MOS管相比IGBT,在Boost测试效率上可以提升0.18%,散热器温度也可降低约7度。混合逆变桥功率方案的整体效率提升达到0.45%,温升下降11度。这些数据也进一步印证了碳化硅在光伏储能中的优势。CaLednc

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而对于新兴的1500V的储能系统,国内以阳光电源为代表的公司已经推出了基于1500V储能系统的应用方案。这些方案通过用新兴2000V碳化功率器件替代传统1200V MOS,可将整个系统的器件减少50%,不但简化了系统拓扑,减少了器件数量,也进一步提高了系统的控制简易性和可靠性,同时也提升了效率和功率密度。CaLednc

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碳化硅在风光储能系统中的应用,不仅能够提高能源利用效率,还能够降低系统成本,提高整体可靠性,为中国的绿色能源目标提供了坚实的技术支持。CaLednc

赋能新能源汽车:驱动未来的动力

新能源汽车作为绿色能源发展的另一个关键领域,正在经历从400V向800V平台的过渡。800V新能源汽车平台的目标是将15%-85%的充电时间从8分钟降低到4分钟,实现超快充电,而这一目标的实现必将依赖于碳化硅功率器件的应用。 CaLednc

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传统的400V直流充电桩使用的功率器件电压需求并不高,650V即可满足要求。然而,随着快充技术的发展,功率模块的需求从20kW增加到40kW,甚至有设计达到60kW的全套电源模块。因此,碳化硅MOS的耐压需求也从800V上升到1200V,以支持10kW至100kW的模块设计方向。CaLednc

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在40kW快充方案中,采用三相全桥PFC+CLLC系统拓扑,如果从硅基转化为碳化硅基,器件数量可以减少50%,总体损耗降低50%,效率提升2%,峰值效率可达97%以上。这些改进不仅提高了充电效率,还降低了系统的温升,提升了整体的性能和可靠性。CaLednc

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可以说,碳化硅功率器件在800V新能源汽车平台的应用,为新能源汽车行业带来了革命性的变化,使得超快充电成为可能,同时也为未来的技术发展奠定了基础。CaLednc

碳化硅器件想发展,高可靠性是关键

无论是储能系统,还是新能源汽车,碳化硅的应用已不再局限于传统的消费级领域,而工业级和车规级应用对器件品质的要求都会更高,主要原因在于无论是直流充电还是储能、电源、汽车,碳化硅的应用场景都是高温、高压、高频的恶劣环境,因此对碳化硅整体可靠性的要求也会大幅提升。CaLednc

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为了满足高可靠性的需求,蓉矽半导体认为设计、材料和工艺三者必须达到平衡,通过设计的引入其所做的DFR可靠性观点,选择高品质、低缺陷的碳化硅和衬底材料,以及采用成熟的工艺平台,可以确保器件的可靠性至少达到工业级以上的要求。CaLednc

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例如,针对于碳化硅器件中最为核心和关键的问题——栅氧化层的可靠性。传统的AEC-Q101标准测试其实并不足以全面评估栅氧化层的质量。因为碳化硅作为宽禁带半导体,从物理特性上就存在着低势垒问题,加之二氧化硅层生长过程中难免会存在各种潜在缺陷,使得栅氧化层在高电场冲击下容易发生隧穿效应,导致器件损坏。因此,除了进行可靠性试验外,还需要对栅氧化层进行一系列的评估、测试和筛选。CaLednc

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为了解决这一问题,蓉矽半导体采用了WLTBI (Wafer-Level Test & Burn-in) 测试筛选系统,通过整体高温高压和时间三个参数的筛选,基于线性E模型,可以快速筛选出早期失效的器件。对于无法通过常规测试筛选出来的偶发阶段的早期失效器件,蓉矽半导体在线性E模型的基础下提出了Wafer Burn in系统,可以将这些器件精确的挑选出来。CaLednc

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总结

碳化硅功率器件的高可靠性技术不仅为新能源汽车和储能系统等领域提供了强有力的支持,也为中国新能源产业的发展贡献了重要力量。在演讲的最后,高巍表示:“赋能绿色未来,我们需要用我们的技术,或者是用我们对碳化硅功率器件的理解,用我们这样一个产品在整个中国新能源产业里面贡献出一份我们自己的力量,这是我们的使命。”CaLednc

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谢宇恒
原机加工行业工程师,现Aspencore编辑,专注电子,关注未来。
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