電力電子涉及從電氣化到智能電網的一系列關鍵應用。它是整個行業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實現更高的功率密度、小型化和能量轉換效率，而市場需要這些功率產品來滿足日益增長的環境問題。

2018 年，全球總用電量超過每小時 22，000 太瓦。僅全球工業部門每小時消耗約 9000 太瓦。如果我們能將工業市場的效率提高 1%，世界每小時將節省 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））。意法半導體功率晶體管宏觀事業部總經理兼集團副總裁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鍵技術。寬帶隙 （WBG） SiC 和 GaN 材料可顯著提高應用的效率，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 半導體相輔相成，可滿足能源效率至關重要的各種應用。然而，由于硅 （Si） 產品在一些低功率應用中的成本效益，預計它們將與 WBG 產品共存。

“在電動汽車 （EV） 中采用 SiC 非常重要，對于其他工業應用也是如此。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更長的續航里程，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的核心——電池，它在能量密度方面越來越好。“在這里，650 V 和 1200 V SiC 技術非常適合，”Merli 說。

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

圖 2：硅和寬帶隙功率半導體（來源：意法半導體）

EV 設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頻率 （》 500 kHz） 和雙向車載充電器拓撲結構上。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

電動汽車的出現也推動了充電站的行業基礎設施，這是采用電動汽車的關鍵。“電動汽車零排放，行業正朝著這個方向發展。可再生能源在該領域發揮著重要作用，讓整個行業高度支持可持續性至關重要。太陽能、風能，它們將做出強有力的貢獻，也與國際權威機構的總體政策相關。而 Covid 的影響正在朝著這個方向進一步推動，” Merli 說。

碳化硅將實現更高的效率，從而可以高效構建產業鏈中的所有動力系統。下一個電動汽車將成為復雜智能電網的一部分，正如 Merli 指出的那樣，關鍵是要有一個完整的雙向智能節點。“雙向電網絕對是未來能源電網平衡的關鍵，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展和采用無疑需要電池部門的進一步發展，這將成為下一個現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的技術趨勢。在這一切中，目標是擁有生產電池的超級工廠。

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

“有許多模型有助于優化性能，但也有助于回收利用，這可以包括電池的第二次生命，即使是非汽車應用。重復使用將不得不涉及新的固態技術，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。

也是一個行業焦點：更快、更高效的充電站技術的發展需要良好的溝通和持續的努力，以提供能夠經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展同步。對于半導體，人們對 SiC 和 GaN 技術很感興趣。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備的徹底變革。

圖 4：電動汽車中的電力電子設備（來源：意法半導體）

基質

碳化硅襯底無疑是該技術的關鍵要素之一，它與處理效率相關的幾個原因。“從生產的角度來看，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構。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 業務加強了意法半導體在 SiC 的整個內部生態系統，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量的進展，以支持其長期路線圖和業務。Norstel——現在的 ST SiC AB——目前正在生產 150mm 碳化硅坯料和外延片，以及對 200mm 晶圓的生產進行研發，以確保，正如 Merli 指出的那樣，生產 MOSFET 所需的襯底的數量和質量水平鑒于未來幾年該技術將在汽車和工業市場中得到廣泛采用，因此將推出二極管和二極管。

“Norstel/ST SiC 已經在研究 200 毫米技術，以實現一種從襯底到最終產品的完全集成的碳化硅生產。在收購 Norstel 之前，ST 決定開發我們自己的基板晶圓廠，該晶圓廠將與其余的生產整合，以便到 2024 年，ST 的晶圓廠覆蓋我們內部晶圓消耗的 40% 以上，其余部分即將到來來自其他商業協議，就像我們已經宣布的那些，” Merli 說。

碳化硅的物理特性為高功率電子設備提供了理想的物理結構，改善了重量和形狀方面的外形，這對汽車至關重要。“卓越的熱性能還可以確保更好的散熱，從而顯著節省冷卻系統。因此，這絕對是碳化硅與 IGBT 或硅解決方案相比的關鍵優勢。許多原始設備制造商都在使用 SiC——我們有一些已宣布的關系，甚至更多的未宣布關系。現在向更高的平均電壓轉變，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 不會從電力電子產品中消失，它們將在市場上存在很長時間，”Merli 說。

“碳化硅的結溫可以達到 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、新拓撲結構和新技術的研究，以利用所有寬帶隙特性，并提供寄生效應降低的封裝，”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品高出幾個數量級。它們還具有固有的抗輻射性（rad-hard），并提供高達 600 °C 的理論結溫操作。除了較低的冷卻要求外，該技術還可以為電力系統提供比當前基于硅的設備高 10 倍的功率密度。

碳化硅有望為航空航天業提供更輕的組件，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、更輕的設備中實現更高的開關頻率和更高的功率密度。

就像硅一樣，GaN 可用于制造半導體器件，例如二極管和晶體管。電源設計人員可以選擇 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，熱導率更高。“對于航空電子設備，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，可以節省大量冷卻系統，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，以幫助他們實現這一目標。儲能可以節省電力并在以后提供，支持電網并減少溫室氣體 （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 已經達到了良好的穩定性水平，絕對可以用于儲能，即使今天的儲能設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，電力電子將發揮主要作用，因為人們、行業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。“不僅要投資技術，還要投資具有專業背景的人力資源，這將通過使用新材料推動新拓撲的發展，因為對我們來說，開發產品意味著開發技術。例如，模擬工具使我們能夠對電氣和熱行為進行建模，從而使我們能夠完成整個系統，”Merli 說。