碳化硅因其出色的高功率密度、耐高压高温、低能耗及抗辐射等性能,在新能源汽车、5G通信、高效电源、智能电网等领域展现出巨大的市场潜力。我国碳化硅产业起步于本世纪初,目前已在碳化硅材料及器件研制上取得一系列重大突破。

  “作为成熟的第三代半导体材料,碳化硅取代现行的硅基材料是必然趋势。”中国电机工程学会电力系统电力电子器件专委会主任委员邱宇峰表示,碳化硅产业会有两波应用浪潮,第一波在新能源汽车领域,第二波在电网领域。可以肯定的是,碳化硅在电网上的需求将堪比新能源汽车领域。

  他认为,目前我国碳化硅产业呈现出高度分化和需求集中的特点,主要体现在碳化硅衬底和外延技术近年来有了显著提升,而碳化硅器件技术发展及市场应用还滞后于材料的发展。当前,国内碳化硅生产能力仍以衬底制造为核心,无论是生产质量还是成本控制,在全球已极具竞争优势。

  “不过,碳化硅器件在应用上的短板,对碳化硅产业链的完整性产生了直接影响。”国家电网中国电力科学研究院电力电子所副总工程师杨霏说,碳化硅器件在电网上的应用仍处于示范工程阶段,随着碳化硅产业对新能源汽车、智能电网等领域的渗透率持续提升,这一市场需求有望加快打开。

  早在2022年9月,我国首座35千伏/5兆瓦碳化硅柔性变电站在河北保定投入运行,此举标志着我国自主研发的碳化硅电力电子变压器制造技术取得了关键突破,杨霏正是该项目负责人。他表示,柔性变电站能实现“源网荷储”多元素交直流柔性互联,大幅提高能源利用效率,为新型电力系统建设提供技术支撑,“随着分布式电源进入配网并形成有源配网后,电力电子技术将成为新型电力系统刚需。一旦变成刚需,电网对碳化硅器件的需求量将呈现指数级增长”。

  当前,新能源汽车是碳化硅器件市场的最大应用场景。随着碳化硅在电网中的应用效果被广泛认可,这一市场或将成为碳化硅产业发展的新蓝海。“新型电力系统建设要求从根本上改变了电网形态,亟需新型电力电子装备。硅器件性能参数已经接近极限,碳化硅器件的应用将大大推动电网柔性化、电力电子化进程。”杨霏说,绝缘栅双极性晶体管(IGBT)同时具备了现在主流器件绝缘栅型场效应晶体管(MOSFET)的高速性能和双极性结型晶体管(BJT)的高增益优点。在高压下,碳化硅IGBT的阻断能力和导通能力具有明显优势,适用于特高压应用领域,在国家能源转型背景下对高压大功率输电、轨道交通等领域具有重要意义。

  多位专家表示,能源革命对电网的安全性、可靠性、可控性和灵活性提出了更高要求,未来电网需要更高电压、更大容量、更高性能、更小体积的灵活交直流输电装置,碳化硅器件将成为新一代电力电子装置的核心。下一步,应加快推动碳化硅在电网中规模化应用,充分发挥其在柔性变电、新能源接入、高压输电等环节的关键作用。

  2024年,我国碳化硅衬底行业产能创下了历史新高。随着渗透率不断提升,市场对碳化硅衬底品质、成本、性能多元化等方面的要求也在不断提高,对企业技术创新、产品开发和产业化能力提出更高要求。“不断拓展研发深度和广度,保证产品创新升级的速度,对于碳化硅企业至关重要,而碳化硅衬底片的尺寸扩展已成为业内公认的关键路径。”作为国内碳化硅领军企业,天岳先进首席技术官高超表示,公司研发的业内首款具有自主知识产权12英寸碳化硅衬底产品,为碳化硅产业技术升级提供了重要支撑。

  据介绍,导电型碳化硅衬底可分为p型和n型。其中,p型碳化硅衬底制备的N沟道SiC IGBT器件在高温和高压环境下表现出色,尤其在高压大功率领域展现出极为广阔的应用前景。2020年,国家电网中国电科院成功研制了首枚18千伏N沟道SiC IGBT。目前,国际上基于p型碳化硅衬底制备的N沟道SiC IGBT,在20千伏以上的器件上已得到验证。12英寸p型碳化硅衬底的问世,对于推动高端特高压功率器件国产化具有重要意义。

  不过,如何推动行业发展从“尺寸升级”向“综合性能优化”跃进,仍是碳化硅行业高质量发展的新课题。邱宇峰认为,目前碳化硅器件规模化应用的“最后一公里”挑战,既包括可靠性等技术成熟度因素,也有应用场景综合成本等考量,需紧扣“双碳+新基建”需求,加快应用落地。

  杨霏认为,未来电力系统对于碳化硅器件需求强烈,要促进全产业链协同攻关,加快实现碳化硅器件的规模化应用。据悉,万伏千安级碳化硅器件在近年内实现样品研制后将逐步进入商业化批量应用,届时国产碳化硅器件有望全面覆盖高压输电领域,以产能与技术的“双向奔赴”推动新型电力系统建设。(记者 顾 阳)