近日，由國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）與第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）主辦，南方科技大學(xué)微電子學(xué)院與北京麥肯橋新材料生產(chǎn)力促進中心有限公司共同承辦的第十七屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA 2020）暨2020國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS 2020）在深圳會展中心召開。

 

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

 

為解決世界能源發(fā)展面臨的日益嚴重的資源緊缺、環(huán)境污染、氣候變化等問題，大力開發(fā)清潔能源，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型成為必然選擇。2019年我國清潔能源發(fā)電裝機占比超過40%。預(yù)計2030年我國清潔能源裝機占比將會超過59%。電網(wǎng)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(shè)備已成為支撐高比例新能源電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)手段。
 

大功率電力電子器件是推動電網(wǎng)向柔性半導(dǎo)體化方向發(fā)展的電力電子裝備的核心，包括柔性直流輸電裝備；統(tǒng)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(shù)的交直流混合配電網(wǎng)裝備。

電力電子裝備技術(shù)隨功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展而逐代演進。電網(wǎng)的柔性半導(dǎo)體化進程取決于器件發(fā)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(dǎo)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(yīng)用。

柔性直流是遠海風(fēng)電并網(wǎng)的主要技術(shù)手段，我國規(guī)劃遠海風(fēng)電總?cè)萘砍^4000萬千瓦，由于海風(fēng)柔直工程造價高導(dǎo)致遠海風(fēng)電開發(fā)不具備經(jīng)濟性，主要是由于基于硅器件換流裝備的體積和重量大，導(dǎo)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(fēng)電開發(fā)利用。碳化硅器件主要應(yīng)用情況來看，現(xiàn)階段已商業(yè)化的碳化硅產(chǎn)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(wǎng)中的主要應(yīng)用集中在新能源并網(wǎng)、充電樁以及電力電子變壓器等。
 

IHS預(yù)計未來5-10年碳化硅器件復(fù)合增速40%。根據(jù) IHSMarkit 數(shù)據(jù)，2018 年碳化硅功率器件市場規(guī)模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動，以及光伏風(fēng)電和充電樁等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸囊筇嵘?，預(yù)計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過 100 億美元，18-27年9年的復(fù)合增速接近40%。

碳化硅器件在電動汽車充電領(lǐng)域的應(yīng)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(jù)國內(nèi)外相關(guān)公司調(diào)研和業(yè)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(yù)計2025年滲透率超過25%。
 

器件研制及裝置應(yīng)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(jié)構(gòu)，電流密度提升-新型封裝技術(shù)，大尺寸外延材料質(zhì)量，大尺寸芯片成品率，低寄生參數(shù)封裝與散熱，并聯(lián)均流封裝，器件的暫態(tài)過程控制，EMI與串?dāng)_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(zhì)量已經(jīng)達到一定水平，處于技術(shù)瓶頸區(qū)，繼續(xù)提高質(zhì)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(zhì)量已經(jīng)達到一定水平，處于技術(shù)瓶頸區(qū)，繼續(xù)提高質(zhì)量難度大。大芯片成品率低，材料、器件、設(shè)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(wǎng)的廣泛應(yīng)用，進而從根本上改變電網(wǎng)形態(tài)；功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展是推動力電網(wǎng)電力電子裝備演進關(guān)鍵因素；碳化硅器件具有高結(jié)溫、高電壓、高頻的特點，非常適合電網(wǎng)應(yīng)用，其廣泛應(yīng)用將推動電網(wǎng)的電力電子化進程；碳化硅器件已在電網(wǎng)中低壓場景得到了廣泛應(yīng)用，可提顯著升裝置效率、功率密度等關(guān)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(shù)封裝，成品率等問題。

（內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)場資料整理，如有出入敬請諒解）