2021年3月，中國將減緩氣候變化的行動納入“十四五”規(guī)劃，制定了2030年碳達峰行動計劃，并積極采取行動實現(xiàn)2060年碳中和的目標。“實施以碳強度控制為主、碳排放總量控制為輔的制度，支持有條件的地方和重點行業(yè)、重點企業(yè)率先達到碳排放峰值”，在這一政策的驅(qū)動下，中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和市場必將發(fā)生巨大變化，新興的第三代半導(dǎo)體將迎來更大的市場機會。

 

上海瞻芯電子CTO葉忠博士接受了媒體采訪，回答了關(guān)于如何實現(xiàn)“雙碳”目標的路徑、如何提升能源利用效率的新技術(shù)、新能源汽車上的碳化硅(SiC)應(yīng)用方案、以及第三代半導(dǎo)體的其它應(yīng)用機會等問題。

 

 

從當前的能源使用占比、發(fā)電量和用電量結(jié)構(gòu)來看，提高光伏風電發(fā)電量占比、普及交通電氣化，以及提升工業(yè)用電效率是實現(xiàn)2030年碳達峰和2060年碳中和的重要途徑。

 

首先，光伏將逐步從輔助能源成為主力能源。2020年底，我國光伏裝機容量為253GW，占全國總發(fā)電量的3.4%;到2030年全球光伏新增裝機將超2000GW，我國將占一半;到2060年達到碳中和時，我國光伏裝機將達到2020年的70多倍，在全國總發(fā)電量中的占比將達到43.2%，成為主要的能源形式。

 

其次，交通電氣化全面提速和加速滲透。交通行業(yè)碳減排依賴于電動車滲透率的全面提升，電動化的長期趨勢是明確的。我國提出2025年新能源車占比目標20%，預(yù)計到2025年新能源車銷量將超700萬輛。此外，與新能源車增長同步的還有充電樁的部署。

 

第三，工業(yè)類電源效率需要不斷提升。工業(yè)用電量占比是最大的，其中主要包括工廠設(shè)備電機驅(qū)動、高頻加熱、數(shù)據(jù)中心和5G通訊等。這類設(shè)備中能源轉(zhuǎn)換和供電效率的全面提升也是減排的重要組成部分。

 

無論儲能、供電，還是充電應(yīng)用，都要求高壓、高效和高可靠性的功率變換。而以氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體材料和器件是實現(xiàn)效率提升的關(guān)鍵，因為基于氮化鎵或碳化硅的器件和設(shè)備可以滿足高壓、高效和高可靠性功率轉(zhuǎn)換的要求。

 

 

新技術(shù)能夠更有效、更快速地減少二氧化碳排放。據(jù)統(tǒng)計，借助第三代半導(dǎo)體新技術(shù)，每生產(chǎn)10萬片SiC晶圓可較常規(guī)的生產(chǎn)方式減少4,000噸的碳排放。與目前的硅基IGBT相比，第三代半導(dǎo)體新技術(shù)的環(huán)保性能顯然更高。

 

要提升能源利用效率，首先要降低功率變換過程自身的損耗，這主要體現(xiàn)在開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。對于同一類技術(shù)，如平面型或溝槽型工藝，單位面積導(dǎo)通電阻(Rsp)越小，其相對開關(guān)損耗也越小。因此，導(dǎo)通電阻(Rsp)成了第三代半導(dǎo)體廠商技術(shù)開發(fā)的競賽制高點。

瞻芯電子CTO葉忠博士

 

據(jù)上海瞻芯電子CTO葉忠博士介紹，對于中低壓(650V-3300V)碳化硅MOSFET而言，溝道電阻是Rsp的較高占比部分，因此降低溝道電阻是最為關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新點之一。主要的技術(shù)路線包括：優(yōu)化SiC/SiO2界面特性來提高電子溝道遷移率;通過新穎的元胞結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高單位面積內(nèi)的溝道密度;提升工藝線寬控制來降低元胞尺寸從而增加元胞密度等。另外，還可以通過引入超級結(jié)(Super Junction)技術(shù)來降低耐壓區(qū)(或者說漂移區(qū))的電阻占比，這類技術(shù)改善對于中高壓(1200V-10000V)SiC MOSFET而言也非常有價值。
 

瞻芯電子自主研發(fā)的SiC MOSFET平臺采用了優(yōu)化的SiO2/SiC界面鈍化技術(shù)，以及緊湊的元胞尺寸設(shè)計，在平面型技術(shù)上達到了業(yè)界一流的Rsp水平。這些工藝的不斷改進可以降低器件損耗，從而提高能源利用效率。

雖然第三代半導(dǎo)體有極優(yōu)越的開關(guān)特性，但要使這種特性充分發(fā)揮出來，其封裝和柵極驅(qū)動也很重要。漏極電壓振蕩、柵極驅(qū)動的正負尖峰和EMI是困擾第三代半導(dǎo)體往更高開關(guān)速度和更高效率推進的主要因素。因此，低漏感的封裝，以及專用且具有恒dv/dt控制功能的柵極驅(qū)動芯片開發(fā)也是提升能源利用效率的關(guān)鍵。因此瞻芯電子開發(fā)了一系列柵極驅(qū)動芯片產(chǎn)品（IVCR140x, IVCR240x)。

Soitec CEO Paul Boudre

 

Soitec公司CEO Paul Boudre認為，通過優(yōu)化晶圓，第三代半導(dǎo)體材料可以減少碳排放，這是功率電子的基石，其功率轉(zhuǎn)換對電動汽車、電網(wǎng)和可再生能源的效率而言至關(guān)重要。Soitec專注于碳化硅新材料的研發(fā)，它是節(jié)能功率器件的重要基礎(chǔ)。除傳統(tǒng)SiC外，Soitec還通過開發(fā)SmartSiC尖端晶圓材料來不斷提高行業(yè)標準。Soitec利用SmartSiC在多晶碳化硅的超低電阻率處理器上創(chuàng)建了基于SiC薄層的新一代優(yōu)化襯底。

PI營銷副總裁Doug Bailey

Power Integrations公司營銷副總裁Doug Bailey認為，從效率、RDS(on)、開關(guān)速度、尺寸和熱管理等方面來看，氮化鎵是一種比硅更好的開關(guān)材料，許多終端產(chǎn)品最終都將使用氮化鎵來替代硅器件。PI開發(fā)的EcoSmart芯片作為電源的大腦，不僅提供產(chǎn)品運行所需的電壓和電流，而且還可以智能地管理電源流，即使在輕載下也能保持高效率。沒有負載時，EcoSmart技術(shù)可有效關(guān)閉電源，使功率接近于零。據(jù)PI估計，迄今為止EcoSmart技術(shù)已節(jié)省近1500億千瓦時的能源。

 

PI已經(jīng)開發(fā)出更大功率、更高效的氮化鎵開關(guān)InnoSwitch電源IC，并且已經(jīng)用這些新器件升級了InnoSwitch-4和ClampZero產(chǎn)品系列。其中InnoSwitch4-CZ可提供高達220W的功率，效率超過95%，為可變輸出電源的諧振變換器提供了一種更靈活、成本更低的替代方案。

 

此外，隨著全球范圍內(nèi)新的能效法規(guī)開始生效，PI的BridgeSwitch BLDC(無刷直流)電機驅(qū)動器也開始被廣泛采用。BridgeSwitch IC可使400W以內(nèi)的無刷直流電機驅(qū)動應(yīng)用中的逆變器轉(zhuǎn)換效率達到98.5%以上，它所提供的優(yōu)異效率和分布式散熱架構(gòu)可省去散熱片，有助于降低系統(tǒng)成本和重量。

 

 

第三代半導(dǎo)體由于具有優(yōu)異的效率水平，可在新能源汽車中發(fā)揮巨大作用。預(yù)計氮化鎵開關(guān)最終將被用于許多高壓電動汽車應(yīng)用方案，但目前而言，SiC在新能源汽車應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。

 

充電方面，由于越來越多的充電樁建在交通方便但環(huán)境較復(fù)雜的商業(yè)區(qū)，這要求充電樁的體積小、充電速度快，而且抗水氣和塵埃能力強。因此，高密、高壓、高功率和高可靠設(shè)計是元器件供應(yīng)商和整機廠家追求的指標。SiC是目前最好的耐高壓且高效率的開關(guān)半導(dǎo)體材料，很合適高功率應(yīng)用。高效的開關(guān)特性使充電樁模塊的電路功率密度提高，騰出空間給獨立風道，從而提高抗水氣和塵埃能力。

 

車載方面，應(yīng)用主要包括主驅(qū)逆變器、OBC、HVDC/12V DC/DC變換器，以及空調(diào)或氫燃料壓縮機等。特斯拉Model 3率先將碳化硅應(yīng)用于汽車主驅(qū)系統(tǒng)，主驅(qū)效率的提升帶來了明顯的系統(tǒng)效益(約省電池或增車程8-10%)。除優(yōu)越的開關(guān)特性外，碳化硅的耐高壓和高溫特性也使它很合適車用要求，能適應(yīng)汽車在高寒或高溫下的復(fù)雜嚴峻工況。采用碳化硅器件也可以使OBC和DC/DC變換器的功率密度進一步得到提升，使體積和重量減小。對于800V系統(tǒng)，這種優(yōu)勢尤其突出。由于高速壓縮器的使用，開關(guān)頻率需成倍增加，硅基IGBT已難滿足這種要求，目前來看碳化硅已成唯一選擇。

 

Soitec在不斷加大對SmartSiC技術(shù)的投入，因為其超低電阻率能夠幫助晶圓片實現(xiàn)更好的性能和更高的表面質(zhì)量和平整度，進而更好地提高良率。據(jù)Paul Boudre稱，SmartSiC已經(jīng)為SiC器件制造商創(chuàng)造了巨大的價值。在系統(tǒng)級別上，芯片可增加至40 mm2，從而進一步節(jié)省成本?；赟martSiC技術(shù)的SiC器件能效更高，可用于電動汽車動力系統(tǒng)的牽引逆變器或車載充電器。

 

據(jù)瞻芯電子CTO葉忠稱，目前瞻芯已有多款SiC器件推向汽車應(yīng)用，其中17mOhm/1200V裸管芯已被國內(nèi)多家車廠用于模塊開發(fā);17mOhm/1200V TO-247單管與比鄰®驅(qū)動IVCR1412配套，也被用于大功率多管并聯(lián)的電驅(qū)開發(fā);比鄰®驅(qū)動IVCR1401/1402則與80mOhm/1200V TO-247-4或80mOhm/1200V TO-247-3 SiC MOSFET配套用于車載OBC和空壓機設(shè)計。

 

針對SiC驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用，Doug Bailey強調(diào)PI的SCALE iDriver門極驅(qū)動IC可提供最大峰值輸出門極電流且無需外部推動級，經(jīng)過設(shè)定后可支持不同的門極驅(qū)動電壓，以滿足SiC-MOSFET的需求。其Fluxlink技術(shù)可省去壽命相對較短的光電器件和相關(guān)補償電路，從而增強系統(tǒng)運行的可靠性，同時降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。SCALE-iDriver IC已通過AEC-Q100汽車級認證，可在125°C結(jié)溫下提供8A驅(qū)動，并且可在不使用推動級的情況下支持輸出功率在數(shù)百千瓦以內(nèi)的600V、650V、750V和1200V IGBT和SiC逆變器設(shè)計。

 

除了傳動系統(tǒng)，Innoswitch3器件還可用于牽引逆變器MOSFET或IGBT驅(qū)動器的30W應(yīng)急電源(EPS)。在車輛行駛過程中，車載12V電池如果出現(xiàn)故障，EPS電源可使牽引逆變器繼續(xù)工作。當發(fā)生故障時，InnoSwitch-3 IC直接從大功率電池母線上取電，該母線本身將被板載安全放電電路迅速降低到低于SELV 60V的閾值。為了提供額外的裕量，應(yīng)急電源必須能夠在400V電池母線電壓降至約30V時繼續(xù)正常工作。

 

PI正在開發(fā)新的基于氮化鎵的元件，以應(yīng)對從400V到800V母線系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。這種提高母線電壓的趨勢具有明顯的優(yōu)勢，包括縮短電池充電時間、提高驅(qū)動效率、降低銅成本，以及減輕牽引驅(qū)動的重量。這種改變還可讓牽引電機具有更高的功率密度，這已經(jīng)在高性能汽車及商用卡車/貨車中得到了驗證，這些車輛需要更高的加速度和更大的承載力。

 

 

半導(dǎo)體材料的更新?lián)Q代將會為功率器件開關(guān)特性帶來質(zhì)的飛躍。可以這么說，幾乎所有硅半導(dǎo)體的功率變換應(yīng)用場合都適用于第三代半導(dǎo)體氮化鎵和碳化硅。在低于650V的應(yīng)用場合，氮化鎵比較合適，而高于650V的應(yīng)用碳化硅則比較合適。在650V級的應(yīng)用中，氮化鎵和碳化硅將并存。

 

氮化鎵器件受限于目前2D的平面型結(jié)構(gòu)及管芯面積，在高壓和低導(dǎo)通電阻之間難以做到兩全齊美，而且沒有雪崩能力。因此，氮化鎵目前的應(yīng)用多集中在手機充電、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備電源、無線電發(fā)射，以及激光雷達等領(lǐng)域。在這類應(yīng)用中，氮化鎵主要是替代硅MOSFET。

 

垂直型碳化硅器件是三維的，由于電流的垂直流動，其漏端(Drain)不占據(jù)元胞面積，還可以通過加厚外延層來提高耐壓。因此，碳化硅更合適高壓和大電流應(yīng)用，如太陽能逆變器、UPS、大電機驅(qū)動、固態(tài)變壓器、智能電網(wǎng)、儲能、工業(yè)高頻加熱、工業(yè)切割焊接、軌道交通、醫(yī)用MRI/CT，以及軍用聲納雷達電磁干擾等。在這類應(yīng)用中，碳化硅主要是替代硅IGBT。

 

目前，無論碳化硅還是氮化鎵，都還處于應(yīng)用的初期。隨著器件工藝技術(shù)的進一步成熟和成本降低，它們將有更廣泛的用武之地，從而在雙碳目標的實現(xiàn)中發(fā)揮更大價值。