對于我國的電力電子界來說，固態(tài)變壓器（SST）并非是一個(gè)全新的話題，在軌道交通、電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行、大型超充站項(xiàng)目里都有過試點(diǎn)實(shí)踐。受限于高成本、功率器件參數(shù)選擇少、高頻變壓器散熱瓶頸，SST曾經(jīng)的商業(yè)化之路面對的挑戰(zhàn)大于機(jī)遇。智算中心800V高壓直流供電系統(tǒng)概念的普及，和未來智能電網(wǎng)的電力潮流雙向流動，讓SST的商業(yè)價(jià)值獲得了前所未有的想象力。

隨著AI算力向MW級機(jī)架演進(jìn)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)已經(jīng)不堪重負(fù)，難以承載極端功率密度與能效要求。智算中心正從“算力堆砌”邁入“算電協(xié)同”的關(guān)鍵階段。在這一背景下，SST作為實(shí)現(xiàn)算力與電力高效耦合的核心硬件，受到越來越多的關(guān)注。業(yè)界普遍期待SST成為支撐智算中心極致能效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，SST的集裝箱化設(shè)計(jì)，也能滿足未來智算中心爆炸式擴(kuò)容，大幅縮短基建周期，實(shí)現(xiàn)快速部署。

作為電力電子界的代表性功率半導(dǎo)體廠商，我們已經(jīng)身臨其境地具身感受到市場對于SST的熱情。在和客戶的互動中，越來越多的提問和需求聚焦在SST，因此我們也為SST度身打造了EasyPack 2C系列SiC模塊，以同尺寸平臺化設(shè)計(jì)思路，全面覆蓋750V、1200V、2.3kV、3.3kV，為市場提供最完整的SiC解決方案。

今天就讓我們一起分析解讀來自客戶端兩大最經(jīng)典的靈魂拷問：

Q1

英飛凌在 SiC 器件設(shè)計(jì)中，是如何在開關(guān)性能、耐壓冗余與長期可靠性三者之間做權(quán)衡與優(yōu)化？

Q2

在SST的級聯(lián)設(shè)計(jì)里，SiC器件選型對于成本、功率密度、效率、系統(tǒng)可靠性上的平衡點(diǎn)在哪里？

第一個(gè)問題

在10、35kV SST應(yīng)用中，功率半導(dǎo)體器件的確會面臨前所未有的三重挑戰(zhàn)：長期承受高電壓、高開關(guān)頻率應(yīng)力、實(shí)實(shí)在在的可靠性。就好像初跑者，很難兼顧心率、配速、步幅。

盡管相比于IGBT，碳化硅（SiC）器件的確更適合高壓和高頻應(yīng)用環(huán)境。然而，高壓、高頻、高可靠性這三者之間存在原理上的相互制約：追求開關(guān)性能的器件設(shè)計(jì)，往往需要犧牲一定的耐壓冗余或可靠性，而過度強(qiáng)調(diào)可靠性又可能限制開關(guān)性能的發(fā)揮。

1.SiC器件的耐壓能力很大程度上依賴于漂移區(qū)的厚度與摻雜濃度，而漂移區(qū)本身正是導(dǎo)通電阻的主要來源。高耐壓等級的SiC MOSFET往往需要更厚及更高電阻率的漂移區(qū)，從而增大了導(dǎo)通電阻，因此只有通過大幅增加芯片的有效導(dǎo)通面積（即并聯(lián)更多的電流單元），方能實(shí)現(xiàn)同等的導(dǎo)通能力（RDS(on)）。所以，提高耐壓的代價(jià)，是讓芯片面積增大，這會導(dǎo)致寄生電容增加，使得開關(guān)損耗上升、開關(guān)速度變慢。

2.耐壓冗余的提高也會影響器件的長期可靠。芯片越薄，就越能貼合封裝底板的形變，這樣功率循環(huán)耐受能力就越高，反之就越低。而耐壓越高，芯片則越厚，其在功率循環(huán)中耐受形變的能力就越差，從而導(dǎo)致功率循環(huán)老化加快。

3.高頻開關(guān)帶來的重復(fù)應(yīng)力會加速器件的閾值電壓漂移，長期工作下來，會導(dǎo)致導(dǎo)通電阻（RDS(on)）增加，通流能力下降。高dv/dt也容易觸發(fā)器件誤導(dǎo)通，這些可靠性問題通常不會在短期測試中暴露，而是在長期運(yùn)行中逐漸顯現(xiàn)。

在這些技術(shù)困境下，如何做到開關(guān)性能、耐壓與長期可靠的更好平衡，為智算中心打造一款能夠終結(jié)可靠性焦慮的SST？

這可能正是英飛凌早在20多年前就一腔孤勇地選擇溝槽柵技術(shù)的真正原因：既然碳化硅器件的核心價(jià)值，就是要面向更高壓和高頻應(yīng)用場景，碳化硅設(shè)計(jì)思路的第一性原理，就是要找到一條行之有效、可商業(yè)化的技術(shù)路徑即溝槽柵技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)這高頻、高壓、高可靠之不可能三角形，為市場提供真正可信賴的技術(shù)革命。

1.傳統(tǒng)的碳化硅平面柵技術(shù)，結(jié)構(gòu)、工藝相對簡單，制造成本和進(jìn)入成本相對低，是大部分碳化硅廠商首先的入門技術(shù)路徑。相形之下，溝槽柵技術(shù)卻正是那個(gè)“難且正確的決定”：

溝槽柵技術(shù)可以將溝道做得更密集，從而在更小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)同樣的導(dǎo)通能力。這意味著更小的寄生電容和更快的開關(guān)速度。

溝槽柵結(jié)構(gòu)可以采用更厚的柵氧層，在高電壓下提供更好的柵極可靠性。

2.針對高頻動態(tài)開關(guān)容易引起柵極氧化層閾值漂移的問題，英飛凌積累了詳細(xì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停龅娇深A(yù)測可控制：能夠精準(zhǔn)預(yù)測不同應(yīng)用場景下閾值漂移引起的導(dǎo)通電阻變化幅度，從而為客戶的柵極驅(qū)動設(shè)計(jì)、裕量預(yù)留提供明確指導(dǎo)。此外英飛凌也積極攜手行業(yè)進(jìn)步，推動JEDEC發(fā)布了專屬可靠性指南及標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證流程GSS（門極開關(guān)應(yīng)力測試）。

3.英飛凌將碳化硅器件的閾值電壓設(shè)計(jì)得較高。這種設(shè)計(jì)有助于抑制因高dv/dt帶來的誤導(dǎo)通。優(yōu)化的終端設(shè)計(jì)，能耐受數(shù)百V/ns的dv/dt沖擊，相關(guān)性能已經(jīng)通過DRB（動態(tài)反偏應(yīng)力）測試驗(yàn)證。

4.此外，英飛凌還建立了完善的可靠性驗(yàn)證體系，確保器件在長期運(yùn)行中的魯棒性和長壽命。在封裝層面，EasyPack 2C系列SiC模塊采用了.XT擴(kuò)散焊接技術(shù)，在芯片與DCB之間形成更可靠的連接，其功率循環(huán)壽命是普通模塊的22倍。

SST設(shè)計(jì)就像跑步新手：想提速（高頻）、大步幅（高壓），心率（可靠性）就爆表。英飛凌溝槽柵SiC器件的作用，就是幫你找到那個(gè)‘配速合理、心率可控’的平衡點(diǎn)。

第二個(gè)問題

SST如何選擇碳化硅參數(shù)，在成本、功率密度、效率和系統(tǒng)可靠性之間進(jìn)行最佳系統(tǒng)級平衡？

從系統(tǒng)級設(shè)計(jì)角度來看，SST的工程實(shí)現(xiàn)不僅僅是功率器件的選型問題，還涉及級聯(lián)數(shù)量、系統(tǒng)成本、控制復(fù)雜度和散熱能力等多方面的權(quán)衡。級聯(lián)數(shù)量越多，輸入電流的諧波畸變率（THDi）越小，輸出側(cè)800V交錯(cuò)并聯(lián)也可以降低濾波電容數(shù)量，但系統(tǒng)復(fù)雜度、體積和成本也會相應(yīng)上升。相反，子功率單元越少，系統(tǒng)成本越低，控制越簡單，可靠性也越高。

例如，在35kV 10MW的SST中，每一相使用1.2kV器件需要約40個(gè)子功率單元，而使用2.3kV器件僅需20個(gè)，3.3kV器件則可進(jìn)一步減少到15個(gè)。三電平比兩電平更復(fù)雜難控制，但可以進(jìn)一步減少級聯(lián)單元數(shù)量，使用2.3kV器件實(shí)現(xiàn)三電平僅需11個(gè)子功率單元，3.3kV器件三電平則可進(jìn)一步減少到8個(gè)，不僅大幅提升了功率密度，還能在一定程度上降低系統(tǒng)總成本。

值得注意的是，更高電壓的器件也會帶來全新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，3.3kV器件SiC芯片面積更大，開關(guān)損耗更高，需要更復(fù)雜的驅(qū)動電路、更高的絕緣距離和電氣間隙設(shè)計(jì)。雖然功率單元數(shù)量減少，但每個(gè)單元需要更優(yōu)的散熱能力，散熱器的尺寸也相應(yīng)增大。同時(shí)，母線電壓的提高意味著串聯(lián)電容數(shù)量增加，PCB布局需要進(jìn)一步優(yōu)化。中高頻變壓器方面，3.3kV相比2.3kV在匝間絕緣、層間絕緣和局部放電方面面臨更大的挑戰(zhàn)。此外，中高頻變壓器的散熱能力也受到繞組環(huán)氧塑封（更好絕緣性能）的限制，散熱成為限制功率密度的主要瓶頸之一。

為SST選擇SiC，可能并沒有絕對的最佳，只有最適合自己的方案選擇，需要因地制宜、因材施教，結(jié)合細(xì)分場景、功率顆粒度、自家控制算法優(yōu)勢，在成本、功率密度、效率和系統(tǒng)可靠性之間進(jìn)行系統(tǒng)級平衡。英飛凌1200V SiC分立器件、EasyPack 2C系列1200V、2.3kV SiC模塊（可送樣），可以為SST提供全平臺可擴(kuò)展的成熟可靠技術(shù)方案。面向未來，750V、3.3kV EasyPack 2C也將陸續(xù)問世。

當(dāng)下SST在AI數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用探索，這僅僅只是一個(gè)開始。相信在市場的技術(shù)迭代浪潮中，SST即將面臨快速的技術(shù)升級和對碳化硅功率半導(dǎo)體的新需求。這將是廠商和用戶深度協(xié)同的技術(shù)創(chuàng)新之旅，英飛凌也希望自身可以從產(chǎn)品的輸出者，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)創(chuàng)新的融入者、賦能者、合作同行者，成為首選的零碳技術(shù)創(chuàng)新伙伴。

作為半導(dǎo)體行業(yè)的老兵，英飛凌經(jīng)歷了多輪潮起潮落的經(jīng)濟(jì)周期性波動，我們深知，來得快的商業(yè)機(jī)會去的也快，唯有深耕自己的產(chǎn)品價(jià)值企業(yè)價(jià)值、堅(jiān)持長期主義，才能穿越周期。我們期待在取得商業(yè)成功之余，可以為所在的行業(yè)注入創(chuàng)新的價(jià)值，在算電協(xié)同的時(shí)代背景下，英飛凌創(chuàng)新的溝槽柵碳化硅技術(shù)可以成為SST實(shí)現(xiàn)高效、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的理想選擇，助力智算中心實(shí)現(xiàn)值得信賴的技術(shù)革命、成就可持續(xù)發(fā)展的社會。