近日，由國家半導體照明工程研發及產業聯盟（CSA）與第三代半導體產業技術創新戰略聯盟（CASA）主辦，南方科技大學微電子學院與北京麥肯橋新材料生產力促進中心有限公司共同承辦的第十七屆中國國際半導體照明論壇（SSLCHINA 2020）暨2020國際第三代半導體論壇（IFWS 2020）在深圳會展中心召開。

 

期間，由廣東芯聚能半導體有限公司，中電化合物半導體有限公司，英諾賽科(珠海)科技有限公司共同協辦的功率電子器件及封裝技術分會上，廈門大學講座教授、全球能源互聯網研究院前院長邱宇峰帶來了“碳化硅功率半導體器件在電力系統的應用”的主題報告。

 

為解決世界能源發展面臨的日益嚴重的資源緊缺、環境污染、氣候變化等問題，大力開發清潔能源，實現能源轉型成為必然選擇。2019年我國清潔能源發電裝機占比超過40%。預計2030年我國清潔能源裝機占比將會超過59%。電網運行面臨高比例間歇性、波動性新能源、電動汽車等隨機性、不確定性負荷增多，分布式電源接入、靈活可控、遠距離輸送等難題，具有高度靈活性可控性的柔性交直流輸電設備已成為支撐高比例新能源電網建設發展的關鍵技術手段。
 

大功率電力電子器件是推動電網向柔性半導體化方向發展的電力電子裝備的核心，包括柔性直流輸電裝備；統一潮流控制器等靈活交流輸電裝備以及基于柔性變電站技術的交直流混合配電網裝備。

電力電子裝備技術隨功率半導體器件的發展而逐代演進。電網的柔性半導體化進程取決于器件發展水平，硅基器件固有的耐壓低，電流密度低，頻率低的弱點，導致裝置體積大，重量大，功率密度低，限制了電力電子裝備的普遍應用。

柔性直流是遠海風電并網的主要技術手段，我國規劃遠海風電總容量超過4000萬千瓦，由于海風柔直工程造價高導致遠海風電開發不具備經濟性，主要是由于基于硅器件換流裝備的體積和重量大，導致占工程總成本30%的海上換流平臺造價高達10億元人民幣以上；如果采用萬伏千安級的碳化硅器件，則可使換流器體積重量減小一半以上，從而大大降低平臺造價，促進遠海風電開發利用。碳化硅器件主要應用情況來看，現階段已商業化的碳化硅產品主要集中在650V-1700V電壓等級，3300V以上電壓等級器件尚處于工程樣品階段，在電網中的主要應用集中在新能源并網、充電樁以及電力電子變壓器等。
 

IHS預計未來5-10年碳化硅器件復合增速40%。根據 IHSMarkit 數據，2018 年碳化硅功率器件市場規模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及光伏風電和充電樁等領域對于效率和功耗要求提升，預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規模將超過 100 億美元，18-27年9年的復合增速接近40%。

碳化硅器件在電動汽車充電領域的應用方面，碳化硅器件將在車載充電（OBC）、DC/DC、無線充電等方面將快速替代硅基IGBT。根據國內外相關公司調研和業界專家的判斷，碳化硅器件滲透硅基IGBT的拐點可能在2024年附近，預計2025年滲透率超過25%。
 

器件研制及裝置應用面臨的主要問題涉及到高壓、大電流，電流密度提升-新型芯片結構，電流密度提升-新型封裝技術，大尺寸外延材料質量，大尺寸芯片成品率，低寄生參數封裝與散熱，并聯均流封裝，器件的暫態過程控制，EMI與串擾等。其中，外延材料缺陷密度仍然不滿足MOSFET大芯片要求，外延質量已經達到一定水平，處于技術瓶頸區，繼續提高質量難度大。

 

外延材料缺陷密度仍然不滿足MOSFET大芯片要求，外延質量已經達到一定水平，處于技術瓶頸區，繼續提高質量難度大。大芯片成品率低，材料、器件、設計、工藝、封裝及可靠性驗證鏈條長，時間周期長。
 

報告指出，能源革命促進了電力電子裝備在電網的廣泛應用，進而從根本上改變電網形態；功率半導體器件的發展是推動力電網電力電子裝備演進關鍵因素；碳化硅器件具有高結溫、高電壓、高頻的特點，非常適合電網應用，其廣泛應用將推動電網的電力電子化進程；碳化硅器件已在電網中低壓場景得到了廣泛應用，可提顯著升裝置效率、功率密度等關鍵指標；高壓大功率碳化硅器件研制仍需突破電流密度、大尺寸襯底外延、低寄生參數封裝，成品率等問題。

（內容根據現場資料整理，如有出入敬請諒解）