電力電子涉及從電氣化到智能電網(wǎng)的一系列關(guān)鍵應(yīng)用。它是整個行業(yè)滿足氣候變化需求的基本支柱，涉及提高能源效率、通過新材料減少我們的碳足跡以及采用新的電路拓撲。物理限制阻礙了當前的硅技術(shù)實現(xiàn)更高的功率密度、小型化和能量轉(zhuǎn)換效率，而市場需要這些功率產(chǎn)品來滿足日益增長的環(huán)境問題。

2018 年，全球總用電量超過每小時 22，000 太瓦。僅全球工業(yè)部門每小時消耗約 9000 太瓦。如果我們能將工業(yè)市場的效率提高 1%，世界每小時將節(jié)省 93.6 太瓦的總能源，并減少 3200 萬噸的二氧化碳排放（來源：IEA（國際能源署））。意法半導(dǎo)體功率晶體管宏觀事業(yè)部總經(jīng)理兼集團副總裁Edoardo Merli在APEC會議期間接受《電力電子報》采訪時表示Automotive and Discrete Group 指出，碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 是滿足能效要求的兩項關(guān)鍵技術(shù)。寬帶隙 （WBG） SiC 和 GaN 材料可顯著提高應(yīng)用的效率，例如用于 SiC 的牽引逆變器和用于 GaN 的適配器/充電器。這兩種 WBG 半導(dǎo)體相輔相成，可滿足能源效率至關(guān)重要的各種應(yīng)用。然而，由于硅 （Si） 產(chǎn)品在一些低功率應(yīng)用中的成本效益，預(yù)計它們將與 WBG 產(chǎn)品共存。

“在電動汽車 （EV） 中采用 SiC 非常重要，對于其他工業(yè)應(yīng)用也是如此。例如，在電動汽車中，我們看到了更高的總線電壓趨勢，從 400 到 800 V。這當然是從豪華車開始的，但很快就會涉及所有其他車輛，以確保高能量性能，從而在影響成本的同時實現(xiàn)更長的續(xù)航里程，重量和可靠性也是如此。800 伏的總線絕對保證了更高的效率，”Merli 說。

另一個重要因素是電動汽車充電時間的減少。這一次高度依賴于這項技術(shù)的核心——電池，它在能量密度方面越來越好?！霸谶@里，650 V 和 1200 V SiC 技術(shù)非常適合，”Merli 說。

圖 1：WBG 材料支持新拓撲；圖騰柱無橋功率因數(shù)校正可達到 99% 的效率（來源：意法半導(dǎo)體）

圖 2：硅和寬帶隙功率半導(dǎo)體（來源：意法半導(dǎo)體）

EV 設(shè)計的主要趨勢集中在上文 Merli 提到的電池電壓上，但也集中在更高的開關(guān)頻率 （》 500 kHz） 和雙向車載充電器拓撲結(jié)構(gòu)上。此外，還解決了高集成度、更好的熱管理和更小的磁性組件問題。

充電站

電動汽車的出現(xiàn)也推動了充電站的行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，這是采用電動汽車的關(guān)鍵。“電動汽車零排放，行業(yè)正朝著這個方向發(fā)展?？稍偕茉丛谠擃I(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，讓整個行業(yè)高度支持可持續(xù)性至關(guān)重要。太陽能、風能，它們將做出強有力的貢獻，也與國際權(quán)威機構(gòu)的總體政策相關(guān)。而 Covid 的影響正在朝著這個方向進一步推動，” Merli 說。

碳化硅將實現(xiàn)更高的效率，從而可以高效構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈中的所有動力系統(tǒng)。下一個電動汽車將成為復(fù)雜智能電網(wǎng)的一部分，正如 Merli 指出的那樣，關(guān)鍵是要有一個完整的雙向智能節(jié)點?！半p向電網(wǎng)絕對是未來能源電網(wǎng)平衡的關(guān)鍵，使用新的寬帶隙材料將幫助我們越來越快地走這條路，”Merli 說。

圖 3：交流和直流充電（來源：意法半導(dǎo)體）

最常見的充電方法是使用接受交流電壓的車載充電器，即傳統(tǒng)家庭的主電源。與交流充電器不同，汽車電池可以直接供電，無需車載充電器。直流充電器體積更大、速度更快，代表著電動汽車的一項激動人心的突破（圖 3）。

電動汽車的進一步發(fā)展和采用無疑需要電池部門的進一步發(fā)展，這將成為下一個現(xiàn)代電動交通工具的引擎。充電站緊跟電動汽車及其動力系統(tǒng)的技術(shù)趨勢。在這一切中，目標是擁有生產(chǎn)電池的超級工廠。

支持整個供應(yīng)鏈至關(guān)重要，從材料的初級生產(chǎn)到礦物回收的次級過程。按照歐洲法規(guī)，鋰需要回收和再循環(huán)，許多公司已經(jīng)在組織起來滿足這一要求。未來的挑戰(zhàn)將包括采礦以及與優(yōu)化這些電池的生產(chǎn)相關(guān)的成本。

“有許多模型有助于優(yōu)化性能，但也有助于回收利用，這可以包括電池的第二次生命，即使是非汽車應(yīng)用。重復(fù)使用將不得不涉及新的固態(tài)技術(shù)，并且使用不同類型的材料將使電池在材料層面上的回收利用變得更加容易，”Merli 說。

也是一個行業(yè)焦點：更快、更高效的充電站技術(shù)的發(fā)展需要良好的溝通和持續(xù)的努力，以提供能夠經(jīng)濟地處理用于為電動汽車充電的大量電力的組件。換言之，日益智能化的充電站必須與電動汽車的發(fā)展同步。對于半導(dǎo)體，人們對 SiC 和 GaN 技術(shù)很感興趣。得益于出色的物理和電子特性，基于 SiC 的功率器件正在推動電力電子設(shè)備的徹底變革。

圖 4：電動汽車中的電力電子設(shè)備（來源：意法半導(dǎo)體）

基質(zhì)

碳化硅襯底無疑是該技術(shù)的關(guān)鍵要素之一，它與處理效率相關(guān)的幾個原因?！皬纳a(chǎn)的角度來看，碳化硅襯底的缺陷率更高，這就需要更加注意糾正各種錯誤。另一個重要方面是基板的可用性和旨在保證體積的結(jié)構(gòu)。大約兩年前，我們出于這些原因收購了 Norstel AB，”Merli 說。

收購整個 Norstel 業(yè)務(wù)加強了意法半導(dǎo)體在 SiC 的整個內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)，提高了公司的靈活性，同時使其能夠更好地控制良率和晶圓質(zhì)量的進展，以支持其長期路線圖和業(yè)務(wù)。Norstel——現(xiàn)在的 ST SiC AB——目前正在生產(chǎn) 150mm 碳化硅坯料和外延片，以及對 200mm 晶圓的生產(chǎn)進行研發(fā)，以確保，正如 Merli 指出的那樣，生產(chǎn) MOSFET 所需的襯底的數(shù)量和質(zhì)量水平鑒于未來幾年該技術(shù)將在汽車和工業(yè)市場中得到廣泛采用，因此將推出二極管和二極管。

“Norstel/ST SiC 已經(jīng)在研究 200 毫米技術(shù)，以實現(xiàn)一種從襯底到最終產(chǎn)品的完全集成的碳化硅生產(chǎn)。在收購 Norstel 之前，ST 決定開發(fā)我們自己的基板晶圓廠，該晶圓廠將與其余的生產(chǎn)整合，以便到 2024 年，ST 的晶圓廠覆蓋我們內(nèi)部晶圓消耗的 40% 以上，其余部分即將到來來自其他商業(yè)協(xié)議，就像我們已經(jīng)宣布的那些，” Merli 說。

碳化硅的物理特性為高功率電子設(shè)備提供了理想的物理結(jié)構(gòu)，改善了重量和形狀方面的外形，這對汽車至關(guān)重要?！白吭降臒嵝阅苓€可以確保更好的散熱，從而顯著節(jié)省冷卻系統(tǒng)。因此，這絕對是碳化硅與 IGBT 或硅解決方案相比的關(guān)鍵優(yōu)勢。許多原始設(shè)備制造商都在使用 SiC——我們有一些已宣布的關(guān)系，甚至更多的未宣布關(guān)系?，F(xiàn)在向更高的平均電壓轉(zhuǎn)變，與 IGBT 相比，這再次增加了碳化硅在效率方面的增益。盡管如此，IGBT 不會從電力電子產(chǎn)品中消失，它們將在市場上存在很長時間，”Merli 說。

“碳化硅的結(jié)溫可以達到 300 °C 以上（包裝時超過 200 °C），因此我們還必須查看包裝材料。正在進行新材料、新拓撲結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的研究，以利用所有寬帶隙特性，并提供寄生效應(yīng)降低的封裝，”Merli 說。

儲能與空間

WBG 電源模塊提供的特性和功能比其硅同類產(chǎn)品高出幾個數(shù)量級。它們還具有固有的抗輻射性（rad-hard），并提供高達 600 °C 的理論結(jié)溫操作。除了較低的冷卻要求外，該技術(shù)還可以為電力系統(tǒng)提供比當前基于硅的設(shè)備高 10 倍的功率密度。

碳化硅有望為航空航天業(yè)提供更輕的組件，以降低能耗和排放。對于給定的電壓和電流額定值，這種材料有助于在更小、更輕的設(shè)備中實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度。

就像硅一樣，GaN 可用于制造半導(dǎo)體器件，例如二極管和晶體管。電源設(shè)計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅，因為它具有小尺寸和高效率。與具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管的功耗更低，熱導(dǎo)率更高。“對于航空電子設(shè)備，我們看到寬間隙材料再次顯著降低了體積重量，最重要的是，可以節(jié)省大量冷卻系統(tǒng)，這對電動飛機非常重要，”梅利說

零排放是許多國家力爭到 2050 年實現(xiàn)的目標，公共和私營部門已將投資分配給儲能公司，以幫助他們實現(xiàn)這一目標。儲能可以節(jié)省電力并在以后提供，支持電網(wǎng)并減少溫室氣體 （GHG） 排放。儲能可以通過抵消對排放污染的發(fā)電廠的需求來補充可再生能源和分布式能源。

“從可靠性的角度來看，GaN 已經(jīng)達到了良好的穩(wěn)定性水平，絕對可以用于儲能，即使今天的儲能設(shè)備仍然主要由碳化硅解決。因此，我們正在與多家公司合作，為他們提供用于智能電網(wǎng)多個部分的碳化硅解決方案。”

未來肯定會變得更加綠色，電力電子將發(fā)揮主要作用，因為人們、行業(yè)和政府正在認識到地球的重要性以及通過減少二氧化碳排放來改善生活條件的重要性?！安粌H要投資技術(shù)，還要投資具有專業(yè)背景的人力資源，這將通過使用新材料推動新拓撲的發(fā)展，因為對我們來說，開發(fā)產(chǎn)品意味著開發(fā)技術(shù)。例如，模擬工具使我們能夠?qū)﹄姎夂蜔嵝袨檫M行建模，從而使我們能夠完成整個系統(tǒng)，”Merli 說?！　?/p>