厦门大学邱宇峰教授：碳化硅功率半导体器件在电力系统中的应用

近日，由国家半导体照明工程研发及产业联盟与第三代半导体产业技术创新战略联盟主办，南方科技大学微电子学院与北京麦肯桥新材料生产力促进中心有限公司共同承办的2020国际第三代半导体论坛（IFWS 2020）在深圳会展中心召开。

期间，由广东芯聚能半导体有限公司，中电化合物半导体有限公司，英诺赛科(珠海)科技有限公司共同协办的功率电子器件及封装技术分会上，厦门大学讲座教授、全球能源互联网研究院前院长邱宇峰带来了“碳化硅功率半导体器件在电力系统的应用”的主题报告。

为解决世界能源发展面临的日益严重的资源紧缺、环境污染、气候变化等问题，大力开发清洁能源，实现能源转型成为必然选择。2019年我国清洁能源发电装机占比超过40%。预计2030年我国清洁能源装机占比将会超过59%。

电网运行面临高比例间歇性、波动性新能源、电动汽车等随机性、不确定性负荷增多，分布式电源接入、灵活可控、远距离输送等难题，具有高度灵活性可控性的柔性交直流输电设备已成为支撑高比例新能源电网建设发展的关键技术手段。

大功率电力电子器件是推动电网向柔性半导体化方向发展的电力电子装备的核心，包括柔性直流输电装备；统一潮流控制器等灵活交流输电装备以及基于柔性变电站技术的交直流混合配电网装备。

电力电子装备技术随功率半导体器件的发展而逐代演进。电网的柔性半导体化进程取决于器件发展水平，硅基器件固有的耐压低，电流密度低，频率低的弱点，导致装置体积大，重量大，功率密度低，限制了电力电子装备的普遍应用。

柔性直流是远海风电并网的主要技术手段，我国规划远海风电总容量超过4000万千瓦，由于海风柔直工程造价高导致远海风电开发不具备经济性，主要是由于基于硅器件换流装备的体积和重量大，导致占工程总成本30%的海上换流平台造价高达10亿元人民币以上；如果采用万伏千安级的碳化硅器件，则可使换流器体积重量减小一半以上，从而大大降低平台造价，促进远海风电开发利用。

碳化硅器件主要应用情况来看，现阶段已商业化的碳化硅产品主要集中在650V-1700V电压等级，3300V以上电压等级器件尚处于工程样品阶段，在电网中的主要应用集中在新能源并网、充电桩以及电力电子变压器等。

IHS预计未来5-10年碳化硅器件复合增速40%。根据 IHSMarkit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受新能源汽车庞大需求的驱动，以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升，预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元，18-27年9年的复合增速接近40%。

碳化硅器件在电动汽车充电领域的应用方面，碳化硅器件将在车载充电（OBC）、DC/DC、无线充电等方面将快速替代硅基IGBT。根据国内外相关公司调研和业界专家的判断，碳化硅器件渗透硅基IGBT的拐点可能在2024年附近，预计2025年渗透率超过25%。

器件研制及装置应用面临的主要问题涉及到高压、大电流，电流密度提升-新型芯片结构，电流密度提升-新型封装技术，大尺寸外延材料质量，大尺寸芯片成品率，低寄生参数封装与散热，并联均流封装，器件的暂态过程控制，EMI与串扰等。其中，外延材料缺陷密度仍然不满足MOSFET大芯片要求，外延质量已经达到一定水平，处于技术瓶颈区，继续提高质量难度大。

外延材料缺陷密度仍然不满足MOSFET大芯片要求，外延质量已经达到一定水平，处于技术瓶颈区，继续提高质量难度大。大芯片成品率低，材料、器件、设计、工艺、封装及可靠性验证链条长，时间周期长。

报告指出，能源革命促进了电力电子装备在电网的广泛应用，进而从根本上改变电网形态；功率半导体器件的发展是推动力电网电力电子装备演进关键因素；碳化硅器件具有高结温、高电压、高频的特点，非常适合电网应用，其广泛应用将推动电网的电力电子化进程；碳化硅器件已在电网中低压场景得到了广泛应用，可提显著升装置效率、功率密度等关键指标；高压大功率碳化硅器件研制仍需突破电流密度、大尺寸衬底外延、低寄生参数封装，成品率等问题。