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，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 1500V。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 M3SMOSFET 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，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。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。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，需要加工，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，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

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。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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