用于新型高效产业的宽带隙技术

电力电子涉及从电气化到智能电网的一系列关键应用。它是整个行业满足气候变化需求的基本支柱，涉及提高能源效率、通过新材料减少我们的碳足迹以及采用新的电路拓扑。物理限制阻碍了当前的硅技术实现更高的功率密度、小型化和能量转换效率，而市场需要这些功率产品来满足日益增长的环境问题。

2018 年，全球总用电量超过每小时 22，000 太瓦。仅全球工业部门每小时消耗约 9000 太瓦。如果我们能将工业市场的效率提高 1%，世界每小时将节省 93.6 太瓦的总能源，并减少 3200 万吨的二氧化碳排放（来源：IEA（国际能源署））。意法半导体功率晶体管宏观事业部总经理兼集团副总裁Edoardo Merli在APEC会议期间接受《电力电子报》采访时表示Automotive and Discrete Group 指出，碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 是满足能效要求的两项关键技术。宽带隙 （WBG） SiC 和 GaN 材料可显着提高应用的效率，例如用于 SiC 的牵引逆变器和用于 GaN 的适配器/充电器。这两种 WBG 半导体相辅相成，可满足能源效率至关重要的各种应用。然而，由于硅 （Si） 产品在一些低功率应用中的成本效益，预计它们将与 WBG 产品共存。

“在电动汽车 （EV） 中采用 SiC 非常重要，对于其他工业应用也是如此。例如，在电动汽车中，我们看到了更高的总线电压趋势，从 400 到 800 V。这当然是从豪华车开始的，但很快就会涉及所有其他车辆，以确保高能量性能，从而在影响成本的同时实现更长的续航里程，重量和可靠性也是如此。800 伏的总线绝对保证了更高的效率，”Merli 说。

另一个重要因素是电动汽车充电时间的减少。这一次高度依赖于这项技术的核心——电池，它在能量密度方面越来越好。“在这里，650 V 和 1200 V SiC 技术非常适合，”Merli 说。

图 1：WBG 材料支持新拓扑；图腾柱无桥功率因数校正可达到 99% 的效率（来源：意法半导体）

图 2：硅和宽带隙功率半导体（来源：意法半导体）

EV 设计的主要趋势集中在上文 Merli 提到的电池电压上，但也集中在更高的开关频率 （》 500 kHz） 和双向车载充电器拓扑结构上。此外，还解决了高集成度、更好的热管理和更小的磁性组件问题。

充电站

电动汽车的出现也推动了充电站的行业基础设施，这是采用电动汽车的关键。“电动汽车零排放，行业正朝着这个方向发展。可再生能源在该领域发挥着重要作用，让整个行业高度支持可持续性至关重要。太阳能、风能，它们将做出强有力的贡献，也与国际权威机构的总体政策相关。而 Covid 的影响正在朝着这个方向进一步推动，” Merli 说。

碳化硅将实现更高的效率，从而可以高效构建产业链中的所有动力系统。下一个电动汽车将成为复杂智能电网的一部分，正如 Merli 指出的那样，关键是要有一个完整的双向智能节点。“双向电网绝对是未来能源电网平衡的关键，使用新的宽带隙材料将帮助我们越来越快地走这条路，”Merli 说。

图 3：交流和直流充电（来源：意法半导体）

最常见的充电方法是使用接受交流电压的车载充电器，即传统家庭的主电源。与交流充电器不同，汽车电池可以直接供电，无需车载充电器。直流充电器体积更大、速度更快，代表着电动汽车的一项激动人心的突破（图 3）。

电动汽车的进一步发展和采用无疑需要电池部门的进一步发展，这将成为下一个现代电动交通工具的引擎。充电站紧跟电动汽车及其动力系统的技术趋势。在这一切中，目标是拥有生产电池的超级工厂。

支持整个供应链至关重要，从材料的初级生产到矿物回收的次级过程。按照欧洲法规，锂需要回收和再循环，许多公司已经在组织起来满足这一要求。未来的挑战将包括采矿以及与优化这些电池的生产相关的成本。

“有许多模型有助于优化性能，但也有助于回收利用，这可以包括电池的第二次生命，即使是非汽车应用。重复使用将不得不涉及新的固态技术，并且使用不同类型的材料将使电池在材料层面上的回收利用变得更加容易，”Merli 说。

也是一个行业焦点：更快、更高效的充电站技术的发展需要良好的沟通和持续的努力，以提供能够经济地处理用于为电动汽车充电的大量电力的组件。换言之，日益智能化的充电站必须与电动汽车的发展同步。对于半导体，人们对 SiC 和 GaN 技术很感兴趣。得益于出色的物理和电子特性，基于 SiC 的功率器件正在推动电力电子设备的彻底变革。

图 4：电动汽车中的电力电子设备（来源：意法半导体）

基质

碳化硅衬底无疑是该技术的关键要素之一，它与处理效率相关的几个原因。“从生产的角度来看，碳化硅衬底的缺陷率更高，这就需要更加注意纠正各种错误。另一个重要方面是基板的可用性和旨在保证体积的结构。大约两年前，我们出于这些原因收购了 Norstel AB，”Merli 说。

收购整个 Norstel 业务加强了意法半导体在 SiC 的整个内部生态系统，提高了公司的灵活性，同时使其能够更好地控制良率和晶圆质量的进展，以支持其长期路线图和业务。Norstel——现在的 ST SiC AB——目前正在生产 150mm 碳化硅坯料和外延片，以及对 200mm 晶圆的生产进行研发，以确保，正如 Merli 指出的那样，生产 MOSFET 所需的衬底的数量和质量水平鉴于未来几年该技术将在汽车和工业市场中得到广泛采用，因此将推出二极管和二极管。

“Norstel/ST SiC 已经在研究 200 毫米技术，以实现一种从衬底到最终产品的完全集成的碳化硅生产。在收购 Norstel 之前，ST 决定开发我们自己的基板晶圆厂，该晶圆厂将与其余的生产整合，以便到 2024 年，ST 的晶圆厂覆盖我们内部晶圆消耗的 40% 以上，其余部分即将到来来自其他商业协议，就像我们已经宣布的那些，” Merli 说。

碳化硅的物理特性为高功率电子设备提供了理想的物理结构，改善了重量和形状方面的外形，这对汽车至关重要。“卓越的热性能还可以确保更好的散热，从而显着节省冷却系统。因此，这绝对是碳化硅与 IGBT 或硅解决方案相比的关键优势。许多原始设备制造商都在使用 SiC——我们有一些已宣布的关系，甚至更多的未宣布关系。现在向更高的平均电压转变，与 IGBT 相比，这再次增加了碳化硅在效率方面的增益。尽管如此，IGBT 不会从电力电子产品中消失，它们将在市场上存在很长时间，”Merli 说。

“碳化硅的结温可以达到 300 °C 以上（包装时超过 200 °C），因此我们还必须查看包装材料。正在进行新材料、新拓扑结构和新技术的研究，以利用所有宽带隙特性，并提供寄生效应降低的封装，”Merli 说。

储能与空间

WBG 电源模块提供的特性和功能比其硅同类产品高出几个数量级。它们还具有固有的抗辐射性（rad-hard），并提供高达 600 °C 的理论结温操作。除了较低的冷却要求外，该技术还可以为电力系统提供比当前基于硅的设备高 10 倍的功率密度。

碳化硅有望为航空航天业提供更轻的组件，以降低能耗和排放。对于给定的电压和电流额定值，这种材料有助于在更小、更轻的设备中实现更高的开关频率和更高的功率密度。

就像硅一样，GaN 可用于制造半导体器件，例如二极管和晶体管。电源设计人员可以选择 GaN 晶体管而不是硅，因为它具有小尺寸和高效率。与具有更高热管理要求的硅器件相比，GaN 晶体管的功耗更低，热导率更高。“对于航空电子设备，我们看到宽间隙材料再次显着降低了体积重量，最重要的是，可以节省大量冷却系统，这对电动飞机非常重要，”梅利说

零排放是许多国家力争到 2050 年实现的目标，公共和私营部门已将投资分配给储能公司，以帮助他们实现这一目标。储能可以节省电力并在以后提供，支持电网并减少温室气体 （GHG） 排放。储能可以通过抵消对排放污染的发电厂的需求来补充可再生能源和分布式能源。

“从可靠性的角度来看，GaN 已经达到了良好的稳定性水平，绝对可以用于储能，即使今天的储能设备仍然主要由碳化硅解决。因此，我们正在与多家公司合作，为他们提供用于智能电网多个部分的碳化硅解决方案。”

未来肯定会变得更加绿色，电力电子将发挥主要作用，因为人们、行业和政府正在认识到地球的重要性以及通过减少二氧化碳排放来改善生活条件的重要性。“不仅要投资技术，还要投资具有专业背景的人力资源，这将通过使用新材料推动新拓扑的发展，因为对我们来说，开发产品意味着开发技术。例如，模拟工具使我们能够对电气和热行为进行建模，从而使我们能够完成整个系统，”Merli 说。　　

      审核编辑：彭静