碳化硅：从“做起来”到“用起来”
大家好，我是电源漫谈，友情转发芯TIP的推文，帮大家提供一个专业的碳化硅产业方面的研讨会信息，尤其是在新能源领域的应用讨论比较多。届时本人也将到现场参会，欢迎有兴趣的朋友一起交流。
在新能源汽车、光伏、电力电子等市场需求带动下，全球碳化硅市场规模正在快速成长，国内碳化硅产业链尽管处于快速进步的状态，但想要真正实现「做起来」，依然存在明显「短板」。就拿SiC衬底这一环节为例。目前从原始的工艺到衬底的加工技术再到材料的大口径化扩展等各个环节，都是业界的焦点。尤其是碳化硅衬底 制备工艺实现条件要求极高，主要聚焦在晶体内杂质浓度控制问题、温度要求高/黑箱操作、长晶速度慢/时间成本高、晶型要求高/产出良率低、材料硬度大/切割磨损高等难点上。
图源：芯TIP《一图GET：一图搞懂碳化硅——衬底篇》但是，突破材料瓶颈和工艺技术瓶颈需要一定的时间，属于「慢工出细活」。值得期待的是，在下游高景气应用驱动下，国内碳化硅产业链有望得到更快速的发展。细看应用层面，业内普遍认为，碳化硅功率器件在新能源汽车领域具有显著的性能等优势，在主逆变器里，采用碳化硅MOSFET可提高约5%的系统效率。斯达半导董事长沈华接受采访曾表示，主逆变器采用碳化硅让整车厂有了两个选择：一是采用相同电池容量，续航里程可提升5%；二是设计相同的续航里程，但电池容量可减少5%。另外，各大供应商以及整车厂正围绕800V架构对电驱系统中的零部件进行迭代更新。而碳化硅的崛起，与电动汽车的800V高压平台系统算是「绝配」。在800V高压平台火热的趋势下，据行业预测，未来几年SiC功率元器件将随着800V平台的大规模上车进入快速爆发阶段。
国内外OEM也纷纷在800V高压平台领域进行布局，大多数采用兼容400V的过渡方式。欧美主流品牌在2021年以前开始布局快充平台的路线和架构，2023年开始陆续有量产车型上市。国内的主流车型和龙头车企几乎都在大功率快充和800V平台上布局和发力，量产产品的推出时间在2022年-2024年之间。而光伏则是碳化硅的另一个「主战场」。根据中国光伏协会报告，2022年，国内光伏新增装机 87.41GW，同比增加59.3%。光伏装机量持续攀升，为碳化硅带来可观的市场增量。图源：中国光伏协会-2011-2022年国内光伏年度新增装机规模以及 2023-2030 年新增规模预测（单位：GW）传统的硅基器件已不能满足光伏逆变器MPPT(最大功率点跟踪)电路在效率和发热方面的需求，光伏行业迈入后1500V以及20A大电流时代，要建成更大组串进一步降成本，就需要降低组件工作电压和提高电站的电压等级，而碳化硅的性能优势就更加凸显。根据Wolfspeed数据，采用碳化硅后，光伏逆变器系统转化效率可以从96%提升到99%以上，能量损耗降低30%以上，功率密度增加50%，显著提高循环设备的使用寿命，降低系统体积，节约系统成本10%。可见，「上车」、「逐光」这两条应用赛道都给碳化硅市场的成长强势赋能，但是否在伴随着碳化硅「做起来」的同时，就能真正意义上实现「用起来」？如何把握SiC特性，使SiC产品在应用市场发挥出最大性能，并且最大幅度的降低使用成本，成为了碳化硅产业链最关心的问题之一。
而「用起来」的进度也直接关系着「测起来」的发展。碳化硅的应用不过短短十几年，各大应用市场均没有相对成熟的标准体系。而由于碳化硅高频开关特性对测试系统寄生电感控制、测试带宽、连接方式等提出了更高的挑战，模块测不准、测不全、不可靠的情况时有发生，使得碳化硅产品的测试、试验也困难重重，且难以获得较为专业的指导，产业从业者多数都是摸着石头过河。值得一提的是，车规级SiC MOSFET可靠性要求极高，主要是因为汽车应用环境要求苛刻，对运行稳定性要求高。对产品的工作温湿度范围、抗机械冲击能力、抗干扰能力、失效率等都远高于消费级和工业级产品的要求。由于材料本身及制程工艺的区别，SiC MOSFET的可靠性测试验证方法相比Si功率器件存在差异。更高的界面缺陷密度以及双极退化等特有的退化机理是影响SiC MOSFET在各种恶劣条件下可靠性的重要因素，SiC MOSFET芯片和封装的同时退化也使得退化特征更加复杂，这些都对SiC MOSFET的可靠性测试验证提出了挑战。实际使用时更高的电场强度、工作电压和开关速度都将影响SiC MOSFET可靠性，相关可靠性测试验证也更需要重点关注。
