碳化硅在能源領域的應用及展望

趙 敏 賀文智 朱昊辰 黃菊文 李光明

同濟大學環境科學與工程學院

碳化硅在能源領域的應用及展望

趙 敏 賀文智 朱昊辰 黃菊文 李光明

同濟大學環境科學與工程學院

系統介紹碳化硅材料在能源領域的應用及前景，分析美國、日本和中國碳化硅半導體相關專利申請量的有關狀況，中國在該領域研究薄弱，提出加大投入和研發力度，使我國成為高端碳化硅材料領域的強國。

碳化硅；能源領域應用；展望

碳化硅是一種應用十分普遍的人造材料，因具有高硬度、耐高溫、耐磨、耐熱震、耐腐蝕、良好導電性、導熱性和吸收電磁波等特殊性能，除用作磨料外，在冶金、化工、陶瓷、航空航天等各工業部門均有廣泛應用[1]。

我國是世界碳化硅第一生產大國，生產企業共200多家，年生產能力220多萬t，國內市場對碳化硅的需求僅為70萬t，碳化硅年出口量約為30萬t，主要用于低端磨料磨具、耐火材料等領域。目前，我國碳化硅行業面臨低端領域產能過剩，出現了同質化生產、低價競爭、環保污染等問題。高端市場領域，如智能電網、新能源汽車、軍用電子系統等尚處于發展初期，從世界范圍看，高端碳化硅市場正逐步形成，對我國相關企業實現轉型和產業升級是一次良好的機遇[2]。

1 碳化硅在新興能源領域應用及現狀

電動汽車、智能電網、核電、太陽能、風能等能源領域以及航海、航空、航天、高速軌道交通等技術的不斷發展，對功率器件的性能提出了更高的要求。目前，基于硅材料的功率器件已經隨其結構設計和制造工藝的日趨完善而接近由材料本身特性所決定的理論極限，第三代半導體材料能夠替代第一代半導體材料硅，滿足未來更高需求，將在工業界獲得更廣泛的應用[3]。

第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度（禁帶寬度大于2.2eV），更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及更高抗輻射能力，適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，代表材料有碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁。目前，最成熟和應用潛力最大的第三代半導體材料為碳化硅，其各項指標均優于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高于硅器件工作溫度。此外，氮化鎵也是具有一定應用潛力的第三代半導體材料，其它材料均處于研究階段[3,4,5]。

1.1 碳化硅在電動汽車領域的應用

碳化硅作為未來電動汽車充電模塊和電動模塊相關重要核心的先進電子材料，能實現綠色出行的能源供應、低碳、智能、可持續發展，最終搶占未來產業發展制高點[6,7]。

碳化硅器件對充電模塊性能提升主要體現在三方面：（1）提高頻率，簡化供電網絡；（2）降低損耗，減少溫升。從電源模塊收益上講，如用普通硅功率器件，內部溫度非常高，器件壽命較短，使用碳化硅器件后，低溫升對延長充電樁使用壽命十分有益，其它部分所減少的投入可抵消碳化硅器件成本的提升，可使碳化硅充電樁壽命達5～8年以上，遠高于硅基充電樁的使用壽命；（3）縮小體積，提升效率。基于我們對碳化硅器件在有線充電中的優勢（高效率、低溫升、高密度、低損耗）分析表明，其總體成本將較低[8]。

碳化硅器件在充電樁模塊的應用設計方面面臨諸多問題：（1）碳化硅器件內各項動態、靜態指標變化，模塊開關損耗等引起的系統穩定性問題。（2）碳化硅器件在高頻工作時，驅動電路功耗、速度等相關設計的復雜性增加。（3）碳化硅器件高頻化，開關高速通斷引起嚴重的電磁干擾和寄生參數增加。（4）研發高效碳化硅基MOSFET器件替代目前充電樁的1 200 V硅基MOSFET并聯二極管，同時解決碳化硅基MOSFET柵氧層長期應用的可靠性問題。（5）充電模塊對碳化硅器件的性能需求較高，需加強相關電動設計[8]。

碳化硅器件能提高純電動汽車或混合動力汽車功率轉化性能。電動汽車的電動模塊中電動機是有源負載，其轉速范圍很寬，且在行駛過程中需要頻繁地加速和減速，工作條件比一般的調速系統復雜，采用碳化硅功率器件可有效提高其驅動系統，獲得更高的擊穿電壓、更低的開啟電阻、更大的熱導率以及能在更高溫度下穩定工作，原來幾公斤的散熱片可大幅減少甚至直接刪去，將引起電動汽車設計方面革命性的變化，能降低電動汽車或混合動力汽車功率轉化能耗損失20%，對大幅提高電動汽車續航里程具有重要意義[9,20]。

1.2 碳化硅在新型輸電系統中的應用

傳統電網正向以電力電子技術廣泛應用為代表的智能電網方向發展，其智能、靈活、互動、兼容、高效等功能的實現依賴電網設備的智能化水平和更加優良器件的使用。新型電網要求柔性變電站柔性可控、智能調控，融合電力電子、控制保護、信息通信以及先進計算技術，實現電氣隔離、電壓變換、一次設備與控制保護系統融合、電能質量協調、分布式能源即插即用等多種功能的集成與優化[10]。

基于硅的電力電子變壓器在小功率電網領域實現了部分應用，但由于損耗大、體積大，在高壓大功率的輸電領域尚無法應用。目前商用硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的最大擊穿電壓為6.5kV，所有的硅基器件都無法在200℃以上正常工作，很大程度上降低了功率器件的工作效率。而第三代基于寬禁帶半導體材料的功率器件能很好地解決這些問題，碳化硅功率器件關斷電壓最高達200 kV和高達600℃的工作溫度[9,11,20]。

GaN在高頻與高壓下表現更好，但碳化硅更易于制出高質量晶體，并且具有更高的熱導率，因而碳化硅獲得了更廣的應用。在600 V電壓范圍內硅基金氧半場效晶體管（MOSFET）以及IGBT性能優于碳化硅基器件，但在1.2～1.7kV，硅基MOSFET由于有較大的傳導性降低，同時硅基IGBT則在快速開關上表現出較高的動態損失，能量損失率較高。碳化硅基IGBT被認為是最具有高壓應用潛力的功率器件，其擊穿電壓超過10kV的產品也已經有報道，不久預計能夠將擊穿電壓提高到20～30 kV，碳化硅基器件在更高電壓和更高溫度場合的應用前景十分廣闊[12,20]。

碳化硅基功率開關由于具有極低的開啟態電阻，并且能應用于高壓、高溫、高頻場合，是硅基器件的理想替代者，如果使用碳化硅功率模塊，與使用硅功率電源裝置相比，由開關損失引起的功率損耗可降低5倍以上，對未來電網形態和能源戰略調整將產生重大影響，其體積與重量減小40%以上。研究表明，美國所有電力應用中的6～10%是電源從交流AC轉換為直流DC，約3～4%的電源由內部消耗，碳化硅等新半導體材料可提高電源效率，節省總消耗的1～2%，相當于每年節省30～60億美元。碳化硅器件規模應用于固態斷路器、換流閥、有源濾波等已有裝備為實現智能電網、加速我國能源戰略轉型提供核心元器件及關鍵裝備等支撐[10]。

2015年，英國將碳化硅技術應用于供電系統，實現電網現代化，該項目首先在英國西部配電公司居民供電網上進行實際驗證，新型供電技術主要是在電網相關設備中大量使用碳化硅功率器件，達到減少能量損耗、提升英國電網容量的目的，保障民用和商用能源供給[13]。

基于碳化硅電力電子技術將會有更高的輸電電壓、輸送容量，滿足全球能源互聯網的超高電壓、超長距離輸電重大需求。

1.3 碳化硅材料在太陽能等領域的應用

2010年，194個國家組成的氣候變化專門委員會發布《可再生能源報告》，該報告稱，到2050年可再生能源將占到全球能源總量的80%[11]。截至2016年底，我國光伏發電累計裝機容量7742萬kW，新增和累計裝機容量均為全球第一，全年發電量662億kWh，占我國全年總發電量的1%。到2020年，光伏裝機容量預計達到250 GW，中國的非化石能源比重將達15%，屆時爭取實現光伏發電與電網銷售電價相當。上述信息表明，太陽能、風能等可再生能源發展空間極其巨大，相關技術和產品的研發市場廣闊[14]。

太陽能和風能發電系統是利用光伏電池板光生伏打效應或風力帶動發電機，直接將太陽能或風能轉換成電能的發電系統，它的主要部件是光伏電池組件、風輪、儲能電池、控制器，逆變器，電機驅動器等構成，其特點是可靠性高、使用壽命長、不污染環境、能獨立發電或并網運行，受到各國政府和企業的重視，具有廣闊的發展前景[11]。

碳化硅功率器件針對太陽能逆變器、不間斷電源設備以及風能電機驅動器等大功率模組件的應用進行設計，以更小尺寸、更低物料成本以及更高的效率。新標準太陽能硅基逆變器典型的轉換效率接近96%，而采用碳化硅基逆變器的平均效率能提高到97.5%，相當于減少25%的逆變器損耗，碳化硅基逆變器在風力發電領域可提高轉換效率20%[3]。

1.4 碳化硅材料在LED照明領域的應用

LED光電器件的核心材料碳化硅和氮化鎵等第三代半導體材料技術及應用正在成為全球半導體產業新的戰略高地。碳化硅LED照明設備能將原LED燈使用數量下降1/3，成本下降40～50%，而亮度卻提高兩倍，導熱能力提高10倍以上。根據美國能源部分析，美國廣泛采用LED照明技術后，可以少建133個燃煤電廠，同時減少2.58億t溫室氣體的排放，其節約的電能可供給1 200萬個美國家庭使用一年。中國和美國能源消耗位居世界前兩位，我國若普及碳化硅基LED照明技術，對減少我國煤炭的消耗、減少CO2排放具有重要意義。LED照明是未來光照領域的發展方向，日常生活中人們可見到的各類信號燈、車內照明、信息屏、彩色顯示設備，白光照明現在都利用碳化硅LED半導體照明，能夠實現更高的電光轉換效率，達到大幅降低成本和減少污染的目的[15]。

1.5 碳化硅材料在新型反應堆燃料棒上的應用

核電廠產生的能量來自于燃料元件，核裂變產生的放射性裂變產物主要滯留在燃料元件內部，因此，燃料元件是反應堆的核心部件，直接影響核反應堆的經濟性和安全性[16]。

目前，核反應堆大多為輕水反應堆，鋯合金是輕水反應堆燃料元件的重要組成部分，目前商業水反應堆核電站幾乎全部用鋯合金作為燃料元件的包殼材料，雖然鋯合金包殼已很成功，但隨著日本福島事故的發生，鋯合金包殼本身的一些問題，諸如水中的腐蝕吸氫、1 200℃以上鋯合金和燃料發生共晶反應等，鋯合金包殼的安全問題又被提上了日程，對新型包殼材料的探索成為了一個重要研究方向。碳化硅作為第四代核反應堆—高溫氣冷堆的燃料棒包殼或基體材料的新型燃料元件的概念設計和制備成了核燃料元件領域一個新的熱點材料[16,17,18]。

燃料棒碳化硅的中子吸收界面較小、熱導率高、高溫穩定性、強度高、熔點高以及耐腐蝕等特點在核燃料設計方面有著廣泛的應用。在高溫氣冷堆中，核燃料元件是包覆顆粒燃料彌散在石墨基體中的全陶瓷型元件，這種燃料元件的特征是將所有裂變產物完全阻擋在完整包覆燃料顆粒的碳化硅層內, 從而極大地提高了反應堆的安全性[16, 17,18]。

碳化硅作為重要包殼和基體材料的各種結構新穎、功能完備的燃料元件模型不斷被設計出來，目前高溫氣冷堆碳化硅包殼燃料元件已經開始走向商業化，其它含碳化硅材料燃料元件的研發也將加快步伐，除了燃料元件外，碳化硅材料在反應堆結構材料，堆內管道內襯等方面也有著廣闊的應用前景。可以預見，隨著核安全性要求的不斷提高，碳化硅材料在核能領域將獲得更加廣泛的應用，發揮更加重要的作用[16,18]。

1.6 碳化硅材料高端應用專利申請分析

碳化硅材料及相關產品開發技術和產業發展上，美國和中國市場是典型代表。兩國作為世界第一和第二大經濟體，其相關產業結構主要呈現競爭激烈、透明度高、市場體量大的共性特征，因此分析兩個國家各個機構在相關領域專利申請情況，有較為重要的參考價值。

圖1和圖2分析表明，從2010年起，碳化硅作為第三代半導體材料的相關專利申請量開始增加，美國在2013年達到申請高峰，中國在2013年也呈現快速增加的趨勢，但數量上遠不及美國，2014年和2015年，中國和美國相關專利申請量呈現一定的回落，但申請數量始終保持高位，2016年，中國的相關專利申請接近200件，接近美國2013年的申請量。

圖2分析表明，我國碳化硅專利申請量從2010年開始呈現快速增加的趨勢，到2016年總數量達到800余件，主要集中于傳統碳化硅應用領域，但碳化硅高端領域的專利申請形勢不容樂觀，中國碳化硅高端應用的專利申請中，申請主體為日本住友電氣工業株式會社等日本企業占絕大多數，中國相關專利的申請數量較少，且主要分布在科研院所和高校，企業申請數量比重偏低。

2 展望

鑒于碳化硅材料各方面的優良特性，其有望成為最重要的第三代半導體材料，未來會全面取代目前廣泛應用的硅半導體材料，其應用領域更廣，潛在市場更大，關系到國家經濟的長遠發展和戰略安全。隨著我國新能源汽車的推廣和電網的升級改造，碳化硅材料將在電動汽車充電樁、提高電動汽車能源效率、智能電網建設、計算機領域等諸多方面得到大規模應用。

圖1 美國碳化硅功率器件相關技術專利公布數目[19]

圖2 中國碳化硅相關技術專利公布數目統計

我國作為低端碳化硅生產大國，每年耗費大量的能源、人力資源和環境污染代價為世界其它國家供應低端碳化硅產品，與我國政府目前大力提倡的產業升級不符合，有必要引導我國碳化硅生產企業加大相關高端產品研發力度，改變我國高端碳化硅應用領域研發能力、技術儲備和產能不足的現狀。

作為世界第一人口大國和世界第二大經濟體，潛在世界第一高端碳化硅產品消費市場，在開發第三代半導體材料，尤其是高端碳化硅材料方面的研發和投入應走在世界前列。從相關專利申請分析來看，我國企業在碳化硅材料高端領域的研發力量非常薄弱，需大力加強相關研發力度，盡快縮短與日本等發達國家在碳化硅半導體等相關領域的研發和投入的差距，充分發揮社會主義國家集中力量辦大事的優勢，爭取在碳化硅第三代半導體相關領域實現跳躍式發展，為建設節約型社會、保障國家戰略安全、引領相關技術和產業進步提供有力的保障。

[1]劉鋒,電子材料行業“十三五”發展研究,中國電子材料行業協會第六屆三次理事會暨2016年行業發展報告會,2016.09.

[2]搜狗百科：碳化硅. http://baike.sogou.com/h13391.htm?sp=Snext&sp=l66840075.

[3]郭熙鳳,碳化硅技術引領新興產業革命.中國戰略新興產業, 2015.DOI:10.19474/j.cnki.10-1156/f.2015.13.014.

[4]石珊珊,三菱電機攜最新碳化硅功率模塊系列產品亮相2013PCIM亞洲展,機電商報/2013 年/6月/24日/第A06版.

[5]陳治明,李守智.寬禁帶半導體電力電子器件及其應用[M].北京:機械工業出版社, 2009.

[6]靳衛明,我國首個碳化硅新型充電樁示范工程正式啟動,新能源汽車報/2017年/5月/1日/第006版.

[7]盛況,應加大碳化硅材料在充電樁上的應用,新能源汽車報/2017年/5月/15日/第014版.

[8]李建華,碳化硅在未來充電模塊應用優勢明顯,新能源汽車報/2017年/5月/15日/第016版.

[9]慕容素娟,碳化硅量產新一代功率器件產業化加速,中國電子報/2014年/2月/21日/第011版.

[10]楊霏and潘艷,碳化硅技術引領輸電系統變革,國家電網報/2016年/8月/12日/第002版.

[11]于海明,碳化硅場效應管光伏逆變器的研制, 西安電子科學技術大學,2014.

[12]程士東,高壓大電流碳化硅MOSFET串并聯模塊,浙江大學,2014.

[13]智能電網:英國將利用碳化硅技術實現電網現代化.http://smartgrids.ofweek.com/2015-05/ART-290017-8130-28962945.html.

[14]中國情報網:2020年中國非化石能源占能源消費總量的比重將達15%左右.http://www.askci.com/news/chanye/2015/11/12/154125r0as.shtml.

[15]華強電子網:美國科銳尖端技術照亮北京奧林匹克水立方和鳥巢.http://tech.hqew.com/news_684163.

[16]張君南,碳化硅在新型燃料包殼的傳熱研究,華北電力大學,2014.

[17]劉榮正et al., 碳化硅材料在核燃料元件中的應用,材料導報A：綜述篇,2015(29):p.1-5.

[18]張君南 et al., 碳化硅材料在新型燃料棒上的傳熱研究，中國核科學技術進展報告(第三卷),2013(3):p.551-555.

[19]何鈞 and吳海雷,美國市場碳化硅功率器件技術相關專利趨勢,新材料產業,2016(1):p.20-23.

[20]劉義鶴 and江洪,碳化硅材料及技術研究進展,新材料產業,2015(10):p.20-25.

Application and Prospect of Silicon Carbide in Energy Field

Zhao Min, He Wenzhi, Zhu Haochen, Huang Juwen, Li Guangming Tong Ji University Environment Science and Engineering College

The article introduces silicon carbide materials application and prospect in energy field systematically and analyzes rising trend of semiconductor related patents on silicon carbide in USA and China. The author realizes that most silicon carbide semiconductor patent applied in China belong to Japanese company, which means China scientific research level is weak. In order to make China become high-end silicon carbide field manufacturer, the author puts forward strengthening investment on research and development.

Silicon Carbide, Energy Field Application, Prospect

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.10.004