碳化矽因其出色的高功率密度、耐高壓高溫、低能耗及抗輻射等性能，在新能源汽車、5G通信、高效電源、智能電網等領域展現出巨大的市場潛力。中國碳化矽產業起步於本世紀初，目前已在碳化矽材料及器件研製上取得一系列重大突破。
  
“作為成熟的第三代半導體材料，碳化矽取代現行的矽基材料是必然趨勢。”中國電機工程學會電力系統電力電子器件專委會主任委員邱宇峰表示，碳化矽產業會有兩波應用浪潮，第一波在新能源汽車領域，第二波在電網領域。可以肯定的是，碳化矽在電網上的需求將堪比新能源汽車領域。
  
他認為，目前中國碳化矽產業呈現出高度分化和需求集中的特點，主要體現在碳化矽襯底和外延技術近年來有了顯著提升，而碳化矽器件技術發展及市場應用還滯後於材料的發展。當前，國內碳化矽生產能力仍以襯底製造為核心，無論是生產品質還是成本控制，在全球已極具競爭優勢。
  
“不過，碳化矽器件在應用上的短板，對碳化矽產業鏈的完整性產生了直接影響。”國家電網中國電力科學研究院電力電子所副總工程師楊霏說，碳化矽器件在電網上的應用仍處於示範工程階段，隨著碳化矽產業對新能源汽車、智能電網等領域的滲透率持續提升，這一市場需求有望加快打開。
  
早在2022年9月，中國首座35千伏/5兆瓦碳化矽柔性變電站在河北保定投入運行，此舉標誌著中國自主研發的碳化矽電力電子變壓器製造技術取得了關鍵突破，楊霏正是該專案負責人。他表示，柔性變電站能實現“源網荷儲”多元素交直流柔性互聯，大幅提高能源利用效率，為新型電力系統建設提供技術支撐，“隨著分佈式電源進入配網並形成有源配網後，電力電子技術將成為新型電力系統剛需。一旦變成剛需，電網對碳化矽器件的需求量將呈現指數級增長”。
  
當前，新能源汽車是碳化矽器件市場的最大應用場景。隨著碳化矽在電網中的應用效果被廣泛認可，這一市場或將成為碳化矽產業發展的新藍海。“新型電力系統建設要求從根本上改變了電網形態，亟需新型電力電子裝備。矽器件性能參數已經接近極限，碳化矽器件的應用將大大推動電網柔性化、電力電子化進程。”楊霏說，絕緣柵雙極性電晶體（IGBT）同時具備了現在主流器件絕緣柵型場效應電晶體（MOSFET）的高速性能和雙極性結型電晶體（BJT）的高增益優點。在高壓下，碳化矽IGBT的阻斷能力和導通能力具有明顯優勢，適用於特高壓應用領域，在國家能源轉型背景下對高壓大功率輸電、軌道交通等領域具有重要意義。
  
多位專家表示，能源革命對電網的安全性、可靠性、可控性和靈活性提出了更高要求，未來電網需要更高電壓、更大容量、更高性能、更小體積的靈活交直流輸電裝置，碳化矽器件將成為新一代電力電子裝置的核心。下一步，應加快推動碳化矽在電網中規模化應用，充分發揮其在柔性變電、新能源接入、高壓輸電等環節的關鍵作用。
  
2024年，中國碳化矽襯底行業產能創下了歷史新高。隨著滲透率不斷提升，市場對碳化矽襯底品質、成本、性能多元化等方面的要求也在不斷提高，對企業技術創新、產品開發和產業化能力提出更高要求。“不斷拓展研發深度和廣度，保證產品創新升級的速度，對於碳化矽企業至關重要，而碳化矽襯底片的尺寸擴展已成為業內公認的關鍵路徑。”作為國內碳化矽領軍企業，天嶽先進首席技術官高超表示，公司研發的業內首款具有自主知識產權12英寸碳化矽襯底產品，為碳化矽產業技術升級提供了重要支撐。
  
據介紹，導電型碳化矽襯底可分為p型和n型。其中，p型碳化矽襯底製備的N溝道SiC IGBT器件在高溫和高壓環境下表現出色，尤其在高壓大功率領域展現出極為廣闊的應用前景。2020年，國家電網中國電科院成功研製了首枚18千伏N溝道SiC IGBT。目前，國際上基於p型碳化矽襯底製備的N溝道SiC IGBT，在20千伏以上的器件上已得到驗證。12英寸p型碳化矽襯底的問世，對於推動高端特高壓功率器件國產化具有重要意義。
  
不過，如何推動行業發展從“尺寸升級”向“綜合性能優化”躍進，仍是碳化矽行業高質量發展的新課題。邱宇峰認為，目前碳化矽器件規模化應用的“最後一公里”挑戰，既包括可靠性等技術成熟度因素，也有應用場景綜合成本等考量，需緊扣“雙碳+新基建”需求，加快應用落地。
  
楊霏認為，未來電力系統對於碳化矽器件需求強烈，要促進全產業鏈協同攻關，加快實現碳化矽器件的規模化應用。據悉，萬伏千安級碳化矽器件在近年內實現樣品研製後將逐步進入商業化批量應用，屆時國產碳化矽器件有望全面覆蓋高壓輸電領域，以產能與技術的“雙向奔赴”推動新型電力系統建設。

來源：經濟日報