碳化硅逆变器 价格

碳化硅逆变器 价格

        本文章由湖南贝哲斯信息咨询有限公司研究发布，转载请注明来源。

        以碳化硅为代表的第三代半导体具有出色的性能，例如高频、高效率、高输出、耐高压、耐高温和强抗辐射性，众多特点切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求，它们支撑新一代移动通信、新能源 汽车 、高速轨道列车等产业自主创新发展和转型升级的中心核心材料和电子元器件，已成为全球半导体技术和产业竞争焦点。

        碳化硅性能优势明显

        由于碳化硅的禁止宽度是硅的三倍，所以碳化硅器件的泄漏电流明显小于硅器件的泄漏电流，从而降低了功率损耗。其次，碳化硅能耐高压，并且其击穿电场强度是硅的十倍以上。最后，碳化硅能耐高温。 碳化硅的热导率比硅更高，这使其更易于散发器件的热量。 但是，目前各种碳化硅器件的成本是硅基器件的2.4-8倍，其中衬底成本和外延成本最高，分别占47%和23%。

        从全球碳化硅衬底市场格局来看，美国的CREE在2018年以62%的市场份额领先，其次是美国的II-VI，市场份额约为16%。 总体而言，美国制造商主导着碳化硅市场。

        电动 汽车 推动碳化硅市场爆发

        第三代半导体另一个重要产品碳化硅，则将受益于电动 汽车 行业的快速成长而迎来爆发机会。

        随着新能源 汽车 的发展，对功率半导体器件的需求日益增长。数据显示，传统燃料 汽车 中，半导体器件的平均价值为355美元，而新能源 汽车 中，半导体器件的价值为695美元，几乎翻了一番，其中，功率器件的增长最为显著，从17美元增加到265美元，增长幅度近15倍。目前市场上，用于新能源 汽车 的大多数功率半导体都是硅基器件，例如硅基IGBT和硅基MOSFET。随着技术和产品的成熟，第三代半导体将逐渐取代大多数硅基产品，市场对碳化硅的需求量越来越大。

        在2019年，以碳化硅为代表的第三代半导体电力电子设备应用在电动 汽车 领域取得了快速进展。全球有20多家 汽车 制造商在其车载充电器中使用碳化硅器件。特斯拉Model 3逆变器使用ST Microelectronics的全碳化硅功率模块。各 汽车 制造商都计划于未来几年内将碳化硅电力电子器件用于主逆变器中。在充电基础设施方面，台达联手通用等合作开发，将碳化硅功率半导体器件应用于400KW的拆快读充电器中。在电驱动方面，Cree联手，双方都已达成战略合作协议，促进使用基于碳化硅的逆变器开发电驱动动力总成。

        碳化硅在光伏产业中的应用

        在太阳能应用中，基于硅器件的传统逆变器的成本约占系统的10%，但却是导致系统能量损耗的主要原因之一。将碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器可将转换效率从96%提高到99%以上，能源消耗有50%以上的降幅，并且设备使用寿命能够提升50%，达到减少系统体积、增加功率密度、延长设备寿命和降低制造成本的效果。高效率、高功率密度，高可靠性和低成本是太阳能逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品有望逐步取代硅基器件。

        碳化硅产业链依次为上游衬底，中游外延晶片制造，下游器件制造。从整个碳化硅产业来看，美国、日本和欧洲是产业内部的三老巨头。其中，美国全球独大，占世界碳化硅产量的70%至80%。CREE在碳化硅晶片市场中的市场份额高达60%；欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件和应用程序的产业链，并且在全球电力电子市场中拥有较强的影响力。日本是设备和模块开发方面的绝对领导者。自上世纪八十年代以来，美国、日本和欧洲等发达国家一直将宽禁带半导体技术置于极其重要的战略地位，以保持在航空航天、军事和技术上的领先地位。这些国家和地区在碳化硅半导体领域，已走在世界前列。碳化硅半导体器件产业化主要以英飞凌、Cree公司、GE和罗姆公司、丰田公司等为代表。

        国内碳化硅半导体企业正全力赶超

        与美日欧相比之下，我国碳化硅企业在技术、产能等方面虽然仍有欠缺，国内拥有全球最大的消费市场，增长速度高于世界平均水平。国第三代半导体产业从 2015 年开始高速增长，从终端市场看未来应用将广泛扩展到人工智能、新能源 汽车 、自动驾驶、5G 技术、车联网等领域。第三代半导体器件在新兴应用领域的渗透迅猛，国内市场化进度显著快于国外。当前我国碳化硅产业链已初具规模，具备将碳化硅产业化的基础，国内企业有望在本土市场应用中实现弯道超车，一些代表性的企业如天科合达、山东天岳、河北同光等竞争力不断提高。

        碳化硅半导体具有广泛的潜在应用，在新能源 汽车 、太阳能发电和其他电力相关领域均具有潜在价值。随着下游行业对具有轻量化、高转换效率和低发热特性的半导体功率器件的需求不断增长，工业发展不可避免地要用碳化硅代替功率器件中的硅。然而，碳化硅单晶和外延材料的高成本、材料缺陷等问题尚未完全解决，制造难度高，不成熟的器件封装无法满足高频和高温应用的需求，全球碳化硅技术与产业距离成熟尚有一定的差距，因此碳化硅器件市场的扩张步伐在一定程度上受到限制。

        碳化硅材料具有出色的耐热性、耐腐蚀性和导热性，应用前景非常广阔。作为第三代半导体材料，碳化硅得到外界越来越多的关注和重视，现已成为国内外研究热点。未来发展空间不可限量。在各国加紧布置的同时，国内也需要加快碳化硅半导体的整体研究与开发，创建一个独立且具有国际竞争力的碳化硅材料和器件产业。

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金星来电：碳化硅无线电电路可以承受地狱般的高温

        新冠疫情蔓延的2020年夏季鲜有好事。 其中最令人印象深刻的事件之一是美国宇航员乘坐太空 探索 技术公司（SpaceX）的商业飞船飞往国际空间站并安全返回地球。出于多方面的原因，这次飞行意义重大，其中一个原因是它表明，未来美国航空航天局（NASA）可以从载人到近地轨道的需求中解脱出来，瞄准更远的地方，也许会像金星那么远。

        在金星大气中发现磷化氢气体（现在有点争议）激起了人们对可能前往金星执行 探索 任务的兴奋之情，磷化氢气体的发现说明可能存在微生物生命。不过，这颗从太阳向外数的第二颗行星的环境非常极端，即便是登陆时间最长的苏联“金星13号”探测器也只能发送2小时7分钟的数据。金星表面平均温度为464 ，大气中充满腐蚀性极强的硫酸飞沫，表面大气压力约为地球的90倍。尽管如此，科学家仍然视金星为我们地球的“姐妹”。

        当然，金星和地球的大小和质量非常接近。还有证据表明，两颗行星早期的情况也类似：30亿年前，金星可能像地球一样有着巨大的海洋，因此也许还有生命。那么，是什么灾难性事件导致金星上没有水了呢？行星科学家很想知道，因为它可能会告诉我们，随着气候变化，我们的命运如何。

        为了解决这个问题以及金星的其他谜题，我们需要几台能力强大的机器人登陆器。那么，我们能造出可以在如此恶劣的环境中度过几个月甚至几年而非几个小时的机器（配备仪表、通信设备且具有可控性和机动性的设备）吗？

        答案是：能。自20世纪60年代苏联开始向金星发射金星系列登陆器以来，材料技术取得了很大进步，足以确保未来登陆器的外壳和机械结构能够维持数月。不过，那些脆弱的电子产品呢？目前的硅基系统在金星环境下坚持不了一天。（当然，我们指的是地球日。金星的一天是243个地球日。）即使加上主动式冷却系统，也无法多坚持24小时。

        解决办法是将碳和硅这两种储量丰富的元素以1:1的比例结合在一起，制成一种叫碳化硅（SiC）的半导体。碳化硅可以承受极高的温度，并且可在高温下正常工作。NASA格伦研究中心的科学家已经让碳化硅电路在500 的温度下运行了一年多，这证明它们不仅可以承受高温，而且可以在金星登陆器需要的寿命周期内持续运行。

        碳化硅已经在太阳能逆变器、电动 汽车 电机驱动电子设备和先进的智能电网开关设备等动力电子领域崭露头角，但是，制造碳化硅电路使其能够控制在金星严酷的环境下运行的探测器并将数据发送回地球，将是对这种材料的极限测试。如果成功，我们将不仅能在太阳系最不宜居的地点之一建立起一个移动前哨站，还将深入了解如何将无线传感器用在地球上从未应用过的地方，例如喷气式发动机和天然气涡轮机的叶片上、深井钻机的钻头和高温高压工业制造工艺的主机内部等。在这些地方放置电子设备有助于降低设备的操作和维护成本，同时改善工业环境中仪器和人员的表现和安全性。

        事实上，我们团队（成员来自斯德哥尔摩瑞典皇家理工学院和费耶特维尔阿肯色大学）相信碳化硅电路可以帮助我们实现这个目标，甚至走得更远，用于我们还没有想到的应用领域。

        碳化硅并不是一种新材料。 1895年，爱德华古德里奇艾奇逊实现了碳化硅的大规模生产。在这位美国化学家试图制造人造钻石的实验中产生了碳化硅晶体。1906年，亨利哈里森蔡斯邓伍迪发明了碳化硅无线电探测器，这种化合物首次成功用作电子材料。直到今天，它仍被认为是第一款商用半导体器件。

        不过，大尺寸的碳化硅晶体很难以可重复的方式制造，直到20世纪90年代末，工程师们才发明了能够使晶体很好地生长并用于制造功率晶体管的设备。这些最初的碳化硅晶圆直径只有30毫米，但随着工业的发展，已经慢慢实现了50毫米、75毫米、100毫米、150毫米和现在200毫米的晶圆直径，这使设备变得更加经济。在过去20年里，伴随稳健的研究进步，现在碳化硅功率半导体器件已可以商业化采购。

        作为一种半导体材料，碳化硅具有一些非常吸引人的特性。首先，它的临界电场强度几乎是硅的10倍。临界电场强度基本上相当于物质分解的临界点，在该临界点，物质会开始不受控制地控导电，有时还会导致爆炸。因此，对比碳化硅器件和同尺寸硅器件，前者可以处理的电压是后者的10倍。换句话说，如果两根晶体管处理的电压相同，碳化硅器件的尺寸可能要小得多。这种尺寸上的差异可转化为功耗优势。在相同的“击穿电压”（例如1200伏）下，碳化硅晶体管的“导通”电阻是硅晶体管的1/200到1/400，因此其功率损耗更低。尺寸更小的晶体管还可以在功率转换器中实现更高的开关频率，这意味着可以制造更小、更轻、更便宜的电容器和电感器。

        碳化硅第二个令人惊讶的特性是热导率：碳化硅因导电而升温时，可以迅速排出热量，延长器件的寿命。实际上，在宽带隙半导体中，碳化硅的热导率仅次于金刚石。借助这一属性，我们可以将大功率碳化硅晶体管连接到更低功耗的硅元件所使用的相同大小的散热器上，并且仍然可以得到一个功能齐全、经久耐用的设备。

        第三个特性与在金星上运行最为相关，即在室温下碳化硅的本征电荷载流子浓度非常低。本征载流子浓度表明了热能使多少电荷载流子导电。（向半导体掺入另一种元素的原子可以增加可用载流子，但是，本征浓度表示的是没有掺杂的情况下的浓度。）你可能认为，这里的低值（特别是比硅的值低）是一件坏事，但如果想在高温下工作，情况就不是这样了。

        原因如下：温度上升时，作为半导体的硅停止工作并不是因为它发生熔化、燃烧或任何剧烈变化。相反，晶体管开始充满热产生的电荷载流子。热量使一些电子有足够的能量从价带（它们在价带中与原子结合）沸腾出来，进入导带，留下带正电的空穴。分离出来的电子和空穴有助于传导。在中等温度下（对硅来说是250 到300 ），这只会使晶体管漏电并产生噪声，但在更高的温度下，本征载流子浓度超过了掺杂所能提供的载流子数量，晶体管就会像卡在“开”位置的开关一样再也无法关闭了。

        相比之下，碳化硅具有更宽的带隙和更少的本征载流子，在“晶体管泛洪”前具有更大的温度净空，使其能够在800 C以上继续开关切换。

        在这些特性的共同作用下，相比硅而言，碳化硅能够在更高的电压、功率和温度下工作。此外，即使在硅能够工作的温度下，碳化硅的性能也往往更优，因为碳化硅器件可以以更高的频率和更低的损耗完成开关切换。综上，我们就有了更高效、更结实耐用的器件，以及体积更小、重量更轻且能够在金星环境中运行的电路和系统。

        虽然未来的金星登陆器需要一部分高压功率晶体管， 但它的大部分电路（在处理器、传感器和无线电中）需要低压晶体管。相较于硅，针对碳化硅的开发更少，但由于存在封装问题，我们已经开始了研发。

        随着分立碳化硅功率器件的商业化应用，工程师们认识到，有必要降低费电的不必要寄生电阻、电感和电容。一种方法是通过先进的封装方式，将控制、驱动和保护电路与功率器件更好地集成在一起。在硅电力电子设备中，这些电路位于印刷电路板（PCB）上，但在碳化硅功率晶体管所能达到的较高频率下，印刷电路板的寄生效应可能过大，会导致噪声过大。将这些电路与功率器件封装甚至集成在一起可以消除噪声。不过后一种办法也意味着要用碳化硅制作这些电路。

        出于多方面的原因，在室温下，碳化硅并不是低压微电子设备的自然选择。也许最重要的原因是电压不可能真的一直那么低，所以功耗也不可能一直很低。硅的带隙较小，因此我们可以用1伏的电压来驱动微电子设备，但是碳化硅的带隙几乎是硅的3倍。因此，推动电流通过晶体管所需要的最低电压（即阈值电压）也较大。我们通常会使用15伏电压来给碳化硅“低压”微电子设备供电。

        20多年来，世界各国的研究人员都在尝试制造碳化硅低压微电子设备，但最初的成果也很有限。不过，近10年来，我们大学以及科锐、弗劳恩霍夫集成系统和设备技术研究所、普渡大学、NASA格伦研究中心、马里兰大学和英国雷神公司的研究人员取得了一些突破。

        栅极驱动器是阿肯色团队最早制造的主要微电子电路之一，它通过输入端或栅极直接控制功率晶体管。目前我们已经开发了这种电路的几个版本，它可以与功率器件一起封装（甚至可以置于功率器件的上方），并在与金星一样的温度下进行了测试。这种电路及其后来的版本能够非常精确地控制功率器件，最大限度地提高效率，同时尽量减少电磁干扰。其中最大的挑战是设计能够适应不断变化的环境，甚至能够考虑老化影响的设备，因为在金星恶劣的环境中，设备必然会老化。

        栅极驱动器很重要，但在希望 探索 其他行星的科学家看来，无线电可能才是最重要的系统。 毕竟，如果无法把数据发回地球，将一堆科学仪器送到另一个星球就没有意义。

        对未来的行星 探索 任务来说，紧凑且结实耐用的无线电系统可能更为关键，因为我们可以用探测车携带数据，取代这些机器里成千上万根点对点线路中的一部分。取消电线，采用无线指挥和控制可以大大减轻重量，这对去往金星的4 000万公里旅行至关重要。

        最近，我们的大部分工作都集中在设计和测试碳化硅行星际无线电收发器元件上。如果在地球上运行5G无线电，任何人都不会首选碳化硅。一方面，在室温下，它的电荷载流子迁移率低于硅，部分迁移率设定了半导体可以放大的频率上限。不过，在金星的表面温度下，硅根本无法工作，因此，让碳化硅来适应这项任务是明智的。

        碳化硅在无线电频率方面确实有一个优点。载流子的稀少意味着用这种材料制成的器件的寄生电容较低。换言之，周围很少有电荷，因此这些电荷不太可能以降低设备性能的方式相互作用。

        我们研发的收发器架构称为中低频外差（low-intermediate-frequency hete-rodyne，在希腊语中，“hetero”的意思是“不同的”，“dyne”的意思是“力量”）。为了解释它的含义，我们可以看看一个通过系统的接收端进入的输入信号。天线发出的无线电信号会被低噪放大器增强，然后馈送给混频器。混频器会将收到的信号与靠近该信号载波频率的另一个频率结合起来。这种混频产生了两个新的中频信号，一个比载波高，一个比载波低。然后低通滤波器会消除频率较高的信号。剩余的中频（更适合加工）信号会被放大，然后利用模数转换器进行数字化，将产生的比特（代表接收到的信号）传送给数字处理单元。

        瑞典皇家理工学院开发的碳化硅双极结型晶体管（BJT）技术的高频性能决定了具备所有这些功能的射频电路的实现方式。这项技术给我们带来了制造一台发送和接收59兆赫信号的收发器所需要的基本射频电路。59兆赫信号是晶体管的高频限制和电路的无源元件限制之间的差额，后者在较低的频率下受到的限制更大。（这个频率大致在金星登陆器使用的80兆赫范围内。现代的金星 探索 任务很可能会首先将其数据发送至一颗绕金星运行的卫星，然后利用NASA的深空频率将数据传回地球。）

        收发器的真正关键在于混频器，它能将59兆赫的信号向下转换为500千赫的中频。我们的混频器的核心是一个碳化硅双极结型晶体管，它会将传入的59兆赫射频信号和59.5兆赫信号都作为其输入。来自晶体管的集电极端的输出信号与电容器和电阻器（均能承受500 高温）组成的网络相连，滤除高频，只留下500千赫的中频。

        与混频器之后的低频模拟和数字电路相比，射频电路在各个研发阶段都带来了挑战，例如，缺少准确的晶体管模型、匹配阻抗以确保大部分信号通过的问题，以及电阻器、电容器、电感器和印刷电路板的可靠性等。

        此外，其中的印刷电路板也与我们常见的印刷电路板不同。从手持设备到高端服务器，无处不在的FR-4电路板在金星条件下会快速下垂并解体。因此，我们采用的是“低温共烧陶瓷板”。芯片通过金丝而非铝线连接到这块坚硬的电路板上，因为铝很快就会软化。我们用银互连片（有的镀了钛）将元件连接到电路中，没有使用铜线的原因是铜线会从印刷电路板上脱落。电路板上的电感器是金制螺旋形。（因此这些电路非常昂贵。）

        虽然混频器至关重要， 但未来的金星探测器需要的远不止这些。到目前为止，我们已经在阿肯色大学和瑞典皇家理工学院设计、制造和测试了大约40种在500 温度下工作的不同电路。这些电路包括收发器的其他射频和模拟部分，以及处理来自收发器和未来行星科学传感器的数据所需的许多数字电路。其中一些电路是许多工程师所熟悉的，例如555定时器、8位模数转换器和数模转换器、锁相环电路和布尔逻辑电路库。由于这些都是在大学小批量制造的零件，所以尚未开展长期测试。我们实验室最长在高温下进行了为期一两周的运行。我们也受到了其他小组的扩展实验的鼓舞，这些实验表明，我们的电路和设备可以运行更长时间。

        引人注目的是，NASA格伦研究中心最近报告称，碳化硅集成电路（每块芯片上有近200个晶体管）在该中心的金星环境室中运行了整整60天。在这间环境室内，晶体管承受了9.3兆帕的压强、460 的高温和金星特有的腐蚀性大气。这些晶体管均没有受损或失效，这表明如果可以更长时间处于该环境室内，它们可以继续坚持更久。

        我们还有很多工作要做。我们需要把重点放在集成已开发的各种电路和提高工作电路的产量上，还必须开发更多的电路，并证明它们能够在金星表面温度下共同工作数月甚至数年且符合稳定性需求。要在喷气式和天然气涡轮机等装置中实现碳化硅无线电和其他低功率电路的商业应用，最后一点尤为重要。如果投入足够的精力并优先处理，不用几十年，这些可能几年后就能实现。

        碳化硅电路能为未来的金星 探索 任务做好准备吗？我们有理由说，没有它们， 探索 任务就准备不好。

        作者：Alan Mantooth、Carl-Mikael Zetterling、Ana Rusu

浙商证券：SiC碳化硅产业化黄金时代已来，衬底为产业化突破的核心

       智通 财经 APP获悉，浙商证券发布研究报告指出，受益新能源车爆发，SiC产业化黄金时代将来临。Yole预计2026年SiC功率器件市场规模将达45亿美元，2020-2026年CAGR为36%。SiC衬底的市场空间方面，预计2025年新能源车加光伏逆变器市场需求达261亿元，2021-2025年CAGR达到79%。目前国内外差距在逐步缩小，国产替代可期。目前海外龙头（Wolfspeed、II-VI占据60%以上市场份额）已实现6英寸规模化供应、向8英寸进军；国产厂家（天岳先进、天科合达、晶盛机电、露笑 科技 等）以小尺寸为主、向6英寸进军。浙商证券重点推荐晶盛机电（300316.SZ）。

        1）高压、高功率应用场景下性能优越,适用于600V以上高压场景。相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，尺寸减小至原来1/10，导通电阻降低至原来1/100，总能损耗降低70%，能源转换效率提高。下游应用新能源车、充电桩、光伏、风电、轨道交通等领域。

        2）受益新能源车爆发，SiC产业化黄金时代将来临。Yole预计2026年SiC功率器件市场规模将达45亿美元，2020-2026年CAGR=36%。新能源 汽车 是碳化硅功率器件市场的主要增长驱动，应用端：解决续航痛点。成本端：单车可节省400-800美元的电池成本。客户端：特斯拉等车企相继布局。目前特斯拉仅使用在主逆变器上、未来有进一步应用提升空间。

        3）性价比是决定SiC器件大批量使用的关键，衬底制备为碳化硅性价比提升的核心。在碳化硅器件的成本占比当中：衬底、外延、器件分别占比46%、23%、20%。衬底为碳化硅降本的核心、也是技术壁垒最高环节，是未来SiC降本、大规模产业化推进的核心关键。

        SiC衬底：新能源车+光伏需求潜力巨大；国内外差距逐步缩小、国产替代可期

        1）市场空间：预计2025年新能源车+光伏逆变器市场需求达261亿元，2021-2025年CAGR=79%。新能源车：目前单特斯拉Model 3/Y一年需求量就能消耗全球SiC晶圆绝大产能。我们测算如2025年SiC在新能源车渗透率达60%，预计6英寸SiC衬底需求达587万片/年，市场空间达231亿元。光伏逆变器：“大组件、大逆变器、大组串”时代，光伏电站电压等级从1000V提升至1500V以上，碳化硅功率器件有望成为标配。我们假设2025年碳化硅渗透率提升至50%，对应SiC衬底市场达30亿元。行业核心瓶颈在于供给端不足。

        2）竞争格局：国内外差距在逐步缩小，国产替代可期。目前海外龙头（Wolfspeed、II-VI占据60%以上市场份额）已实现6英寸规模化供应、向8英寸进军。国产厂家（天岳先进、天科合达、晶盛机电、露笑 科技 等）以小尺寸为主、向6英寸进军。但可观测到，国内外差距正在缩小、且整体差距小于传统硅基半导体。国内外差距已从过去的10-15年（4英寸）、缩小至5-10年以内（6英寸）。预计未来向8英寸进军过程中，差距是、有望进一步缩小。

        3）生产工艺：较硅基半导体难度大幅增加；长晶环节是关键。碳化硅衬底属于技术密集型行业。核心难点在于：长晶工艺复杂（只有4H型等少数几种是所需的晶型），生长速度慢（每小时仅能生长0.2-0.3mm，较传统晶硅慢近百倍以上），产出良率低（硬度与金刚石接近，切磨抛难度大）。“产学研用”为国内碳化硅衬底发展的重要推进动力。国内高校和科研单位主要包括中科院物理所、山东大学、上海硅酸盐所等。

        4）行业趋势：降本是产业化核心，向大尺寸延伸。目前6英寸SiC衬底价格在1000美金/片，数倍于传统硅基半导体。未来降本方式包括：提升材料使用率（大尺寸化，由4英寸向6英寸、8英寸延伸）、降低制造成本（提升良率）、提升生产效率（更成熟长晶工艺）。

        SiC衬底设备：与传统晶硅差异较小，工艺调教为核心壁垒

        主要包括：长晶炉、切片机、研磨机、抛光机、清洗设备等。与传统传统晶硅设备具一定相通性、但工艺难度更高。碳化硅衬底第三方设备厂商较少，企业更多为设备+制造一体化布局为主，便于将核心工艺机密掌握自己手里。设备+工艺联合研发、形成互哺是关键。

        投资建议

        风险提示：研发进度不及预期风险；国际贸易争端加剧风险。

碳化硅，什么是碳化硅，主要成份作用与用途有哪些等

       什么是碳化硅

       碳化硅是由硅与碳元素以共价键结合的非金属碳化物，硬度仅次于金刚石和碳化硼。化学式为SiC。无色晶体，外表氧化或含杂质时呈蓝黑色。具有金刚石结构的碳化硅变体俗称金刚砂。硬度挨近金刚石，热安稳性好，对氢氟酸水溶液和浓硫酸安稳，对浓氢氟酸与硝酸的混合酸或磷酸则不安稳。

碳化硅的成分

       工业用碳化硅为人工碳化硅，SiC含量为95%～99.5%，常含少量的游离碳，以及Fe2O3、Si和SiO2等杂质。

碳化硅的用途

       1、在电气工业中，碳化硅可用做避雷器阀体、硅碳电热元件、远红外线发生器等。

       2、在航天工业中，用碳化硅制造的燃气滤片、燃烧室喷嘴已用于火箭技能中。

       3、低档次的碳化硅可用做炼钢脱氧剂及铸铁添加剂。

       4、在炭素工业中，碳化硅可用来出产炼铁高炉用砖，如石墨碳化硅、氮化硅结合的碳化硅砖等。

       5、在石墨电极出产中，碳化硅还用做耐氧化涂层电极的涂层耐火烧结料的配猜中，以添加涂层对温度急剧改变的承受才能。

光伏逆变器的系统成本

       在光伏逆变器中运用新型SiCBJT可实现更低的系统成本。

       最近，碳化硅(SiC)的使用为BJT赋予了新的生命，生产出一款可实现更高功率密度、更低系统成本且设计更简易的器件。SiCBJT运用在光伏电源转换器中时，可实现良好效率，并且(也许更重要的是)能够使用更小、更便宜的元件，从而在系统级别上显著降低成本。

       在过去30多年中，诸如MOSFET和IGBT之类的CMOS替代产品在大多数电源设计中逐渐取代基于硅的BJT，但是今天，基于碳化硅的新技术为BJT赋予了新的意义，特别是在高压应用中。

       碳化硅布局以同等或更低的损耗实现更高的开关频率，并且在相同形状因数的情况下可产生更高的输出功率。运用了SiCBJT的设计也将使用一个更小的电感，并且使成本显著降低。虽然运用碳化硅工艺生产的BJT相较于仅基于硅的BJT会更昂贵，但是使用SiC技术的优势在于可在其它方面节省设计成本，从而实现更低的整体成本。本文介绍的升压转换器设计用于光伏转换阶段，其充分利用SiCBJT的优势，在显著降低系统成本的同时可实现良好的效率。

       碳化硅的优势

       基于硅的BJT在高压应用中失宠有几方面原因。首先，SiBJT中的低电流增益会形成高驱动损耗，并且随着额定电流的增加，损耗变得更糟。双极运行也会导致更高的开关损耗，并且在器件内产生高动态电阻。可靠性也是一个问题。在正向偏压模式下运行器件，可能会在器件中形成具有高电流集中的局部过温，这可能导致器件发生故障。此外，电感负载切换过程中出现的电压和电流应力，可能会导致电场应力超出漂移区，从而导致反向偏压击穿。这会严格限制反向安全工作区(RSOA)，意味着基于硅的BJT将不具有短路能力。

       在运用碳化硅的新型BJT中不存在同样的问题。与硅相比，碳化硅支持的能带间隙是其三倍，可产生更大的电流增益，以及更低的驱动损耗，因此BJT的效率更高。碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍，因此器件不太容易受到热击穿影响，并且要可靠得多。碳化硅在更高的温度下表现更出色，因此应用范围更为广泛，甚至包括汽车环境。

       从成本角度而言，碳化硅的高开关频率在硬件级可实现成本节约。虽然相较于基于纯硅，基于碳化硅的BJT更昂贵，但SiC工艺的高功率密度将会转换为更高的芯片利用率，并且支持使用更小的散热器和更小的过滤器元件。从长远来看，使用更昂贵的碳化硅BJT实际上更省钱，因为整体系统的生产成本更低。我们设计的升压转换器就是一个例子。它设计用于额定功率为17千瓦的光伏系统中，具有600伏的输出电压，输入范围为400到530V。

       管理效率

       BJT的驱动器电路能够减少损耗和提高系统效率。驱动器做了两件事：对器件电容迅速充放电，实现快速开关;确保连续提供基极电流，使晶体管在导通状态中保持饱和状态。

       为了支持动态操作，15V的驱动器电源电压引起更快的瞬态变化，并提高性能。SiCBJT的阈值电压约为3V。通常情况下无需使用负极驱动电压或米勒钳位来提高抗扰度。

       SiCBJT是一个“常关型”器件，并且仅在持续提供基极电流时激活。选择静态操作的基极电流值会涉及到传导损耗和驱动损耗间的折衷平衡。尽管有较高的增益值(因此会形成较低的基极电流)，驱动损耗对SiCBJT仍非常重要，由于SiC布局具有较宽能带间隙，因此必须在基极和发射极间提供一个更高的正向电压。将基极电流增加一倍，从0.5A增加到1A，仅降低正向等效电阻10%，因此需要降低传导损耗，同时使饱和度转变为较高水平。这是我们设计升压转换器的一个重要考虑因素，因为它会在更高的电流纹波下运行。1A的基极电流会使开关能力增加至40A

       静态驱动损耗是选定驱动电压和输入电压的一个函数(间接表示占空比值)。实现高开关速度需要15V的驱动电压，产生约8W的损耗，主要集中在基极电阻上。为了弥补这方面的损耗，对于动态和静态操作，我们通常使用两个单独的电源电压。图1提供了示意图。高压驱动器的控制信号会“中断”，因此它仅在开关瞬态期间使能。静态驱动阶段使用较低电压，从而可以降低静态损耗，并在整个导通期间保持激活状态。

       图1.使用两个电源电压降低损耗

       减小滤波器的尺寸

       在更高的开关频率下运行，可降低无源元件的成本。为了进一步提高功率密度，我们着眼于改善滤波器电感的方法。在评估了各种核心材料的能力后，我们选择了一种使用Vitroperm500F(一种薄夹层式纳米晶体材料)制成的新型磁芯材料。该材料产生的损耗低，且在高频率下运转良好。此外也可在高饱和磁通值下运行，这意味着该材料比类似的铁氧体磁芯(图2右侧)要小得多。使用Virtoperm磁芯构成的滤波电感器，约为参照系统的四分之一大小。

       图2显示了在最大电流纹波(40%)下对于不同材料将电感器尺寸作为开关频率函数的因素。在此，我们假设电感量近似为电感值，而这又取决于峰值磁通密度和开关频率。在达到指定的临界点(在100mW/cm时定义的特定损耗3)后，需要降低峰值磁通量以避免过热，从而在该点之外运行将不会导致其大小显著减小。频率一定时，Vitroperm500F可在所有材料中实现最佳性能。

       图2.用作频率函数的不同芯材的电感器大小，以及与Vitroperm和铁氧体磁芯的大小比较

       图3显示了测得的效率级，包括采用两阶段解决方案的驱动损耗。根据计算得出的损耗分布如下图曲线所示。该系统可以在没有达到临界温度或饱和度的情况下达到高电流负载。该两阶段驱动解决方案会将驱动损耗降低至输入功率的0.02%左右。整体损耗更低使得所需的散热片尺寸减小，且更高的开关频率允许使用更小的过滤器元件。所有这些特性最终有助于降低系统成本。

       图3.48kHz时的效率和驱动损耗，以及原型图

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