伺服驱动 MVI46-GSC 为你所委托 能量环保

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可持续发电用碳化硅

除电动汽车外，新一代碳化硅半导体的性能还将惠及更多不断增长的行业。可再生能源正在迅速扩张，因此依赖于半导体技术的太阳能/风能发电场逆变器及分布式储能解决方案（ESS）预计将迎来复合年增长率（CAGR）分别为13%和17%的快速增长。（来源：《2022-2026年全球太阳能集中式逆变器市场报告》）

与电动汽车行业中提高车辆电压类似，SiC 技术也使太阳能发电场能够提高组串电压。现有装置的工作电压通常在 1000 V 至 1100 V 之间，但采用 SiC 半导体的新型集中逆变器的工作电压可达 1500 V。这样就可以减少组串电缆的尺寸（因为电流更低）和逆变器的数量。因为每台设备都可以支持更多的太阳能电池板，作为太阳能发电场中一项较大的硬件支出，减少逆变器数量和电缆尺寸可显著降低整体项目成本。

SiC技术为可再生能源应用带来的好处不于支持更高的电压。例如，安森美（onsemi）的 1200 V EliteSiC M3S MOSFET 与行业的竞争对手相比，在光伏逆变器等硬开关应用中可减少高达 20% 的功率损耗。如果考虑到运营规模（仅在欧洲就有 208.9 GW的太阳能发电场），这种节省就会产生相当大的影响。(来源：2022-2026 年全球集中式光伏逆变器市场报告）

就可靠性而言，太阳能发电场和海上风力发电对电气元件而言是极具挑战性的环境，而正是在这些环境中，碳化硅技术将再次超越现有解决方案。通过支持更高的温度、电压和功率密度，工程师可以设计出比现有硅解决方案更可靠、更小、更轻的系统。逆变器的外壳可以缩小，周围的许多电子和热管理元件也可以省去。而碳化硅支持更高频率运行，可使用更小的磁体，从而进一步降低了系统成本、重量和尺寸。

半导体生产面临的挑战

很明显，对于电动汽车和可持续能源发电而言，SiC 半导体在几乎所有方面都代表着一种进步。使用良好的碳化硅 MOSFET 和二极管可以提高整个系统的运行效率，同时减少设计方面的考虑，并在许多情况下降低整个项目的成本。但是，与任何先驱技术一样，将会产生巨大的需求。许多电子工程师面临的一个问题是，SiC 制造是否已做好广泛采用的准备，以及随着数量的增加，生产是否仍然可靠。

从根本上说，碳化硅面临的主要问题之一是其制备过程。碳化硅在太空中大量存在，但在地球上却非常稀少。因此，碳化硅需要在石墨电炉中以1600°C 至 2500°C 的温度将硅砂和碳合成。这一过程会生成碳化硅晶体块，然后需要进一步加工，终形成碳化硅半导体。每个生产步骤都需要极其严格的质量控制，以确保终产品符合严格的测试标准。为了保证质量，安森美采用了一种独特的方法。作为业内唯一一家端到端碳化硅制造商，他们掌握着从衬底到终模块的每一个生产步骤（图 2）。

图2：安森美的端到端碳化硅生产

在他们的工厂中，硅和碳在熔炉中结合，然后通过数控机床加工成圆柱形圆盘，再切成薄晶圆片。根据所需的击穿电压，在将晶片切割成单个裸片并封装之前，会生长出特定的外延晶片层（图3）。通过从头到尾控制整个流程，安森美已经能够创建一个非常有效的生产系统，为日益增长的碳化硅需求做好准备。

图3：碳化硅外延晶片层

尽管安森美利用了其在硅基技术生产中获得的经验，但要保证终产品的高质量和稳健性，SiC 材料还面临许多特有的挑战。例如，为了生产出可靠的终产品，需要超越为硅技术设计的现有行业标准的许多方面。通过与大学和研究中心的广泛合作，安森美得以确定碳化硅在各种条件下的特性和可靠性。研究成果是一套全面的综合方法，可应用于安森美所有的SiC生产工艺中。

碳化硅--适时的正确技术？

要使可持续技术对现实世界产生必要的影响，帮助我们实现全球气候目标，能效、可靠性和成本效益是关键因素。过去要找到能同时满足这三个目标的元件级解决方案几乎是不可能的，但对于许多应用来说，这正是SiC技术所能提供的。虽然全球供应短缺在一定程度上延缓了碳化硅半导体的普及，但很明显，我们现在将看到该技术的快速发展。

大规模采用SiC仍将面临一些挑战，例如半导体厂商要跟上需求的步伐，并确保可靠性。但通过合作和研究（如安森美所开展的研究），业界应能确保保持高标准并优化制造效率。在部署方面，重要的是要记住代和第二代半导体仍有其用武之地。对于一些逻辑IC和射频芯片等应用，SiC 的高性能可能并不适用，但对于电动汽车和太阳能等应用，SiC 技术将被证明是具变革性的。

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