碳化硅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(wǎng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)潛力。我國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步于初，目前已在碳化硅材料及器件研制上取得一系列重大突破。

　　“作為成熟的第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅取代現(xiàn)行的硅基材料是必然趨勢(shì)。”中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力系統(tǒng)電力電子器件專委會(huì)主任委員邱宇峰表示，碳化硅產(chǎn)業(yè)會(huì)有兩波應(yīng)用浪潮，第一波在新能源汽車領(lǐng)域，第二波在電網(wǎng)領(lǐng)域。可以肯定的是，碳化硅在電網(wǎng)上的需求將堪比新能源汽車領(lǐng)域。

　　他認(rèn)為，目前我國(guó)碳化硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出高度分化和需求集中的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在碳化硅襯底和外延技術(shù)近年來有了顯著提升，而碳化硅器件技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)應(yīng)用還滯后于材料的發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)碳化硅生產(chǎn)能力仍以襯底制造為核心，無論是生產(chǎn)質(zhì)量還是成本控制，在全球已極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　“不過，碳化硅器件在應(yīng)用上的短板，對(duì)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的完整性產(chǎn)生了直接影響。”國(guó)家電網(wǎng)中國(guó)電力科學(xué)研究院電力電子所副總工程師楊霏說，碳化硅器件在電網(wǎng)上的應(yīng)用仍處于示范工程階段，隨著碳化硅產(chǎn)業(yè)對(duì)新能源汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的滲透率持續(xù)提升，這一市場(chǎng)需求有望加快打開。

　　早在2022年9月，我國(guó)首座35千伏/5兆瓦碳化硅柔性變電站在投入運(yùn)行，此舉標(biāo)志著我國(guó)自主研發(fā)的碳化硅電力電子變壓器制造技術(shù)取得了關(guān)鍵突破，楊霏正是該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。他表示，柔性變電站能實(shí)現(xiàn)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”多元素交直流柔性互聯(lián)，大幅提高能源利用效率，為新型電力系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)支撐，“隨著分布式電源進(jìn)入配網(wǎng)并形成有源配網(wǎng)后，電力電子技術(shù)將成為新型電力系統(tǒng)剛需。一旦變成剛需，電網(wǎng)對(duì)碳化硅器件的需求量將呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)”。

　　當(dāng)前，新能源汽車是碳化硅器件市場(chǎng)的最大應(yīng)用場(chǎng)景。隨著碳化硅在電網(wǎng)中的應(yīng)用效果被廣泛認(rèn)可，這一市場(chǎng)或?qū)⒊蔀樘蓟璁a(chǎn)業(yè)發(fā)展的新藍(lán)海。“新型電力系統(tǒng)建設(shè)要求從根本上改變了電網(wǎng)形態(tài)，亟需新型電力電子裝備。硅器件性能參數(shù)已經(jīng)接近極限，碳化硅器件的應(yīng)用將大大推動(dòng)電網(wǎng)柔性化、電力電子化進(jìn)程。”楊霏說，絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）同時(shí)具備了現(xiàn)在主流器件絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的高速性能和雙極性結(jié)型晶體管（BJT）的高增益優(yōu)點(diǎn)。在高壓下，碳化硅IGBT的阻斷能力和導(dǎo)通能力具有明顯優(yōu)勢(shì)，適用于特高壓應(yīng)用領(lǐng)域，在國(guó)家能源轉(zhuǎn)型背景下對(duì)高壓大功率輸電、軌道交通等領(lǐng)域具有重要意義。

　　多位專家表示，能源對(duì)電網(wǎng)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(wǎng)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，碳化硅器件將成為新一代電力電子裝置的核心。下一步，應(yīng)加快推動(dòng)碳化硅在電網(wǎng)中規(guī)模化應(yīng)用，充分發(fā)揮其在柔性變電、新能源接入、高壓輸電等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵作用。

　　2024年，我國(guó)碳化硅襯底行業(yè)產(chǎn)能創(chuàng)下了歷史新高。隨著滲透率不斷提升，市場(chǎng)對(duì)碳化硅襯底品質(zhì)、成本、性能多元化等方面的要求也在不斷提高，對(duì)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化能力提出更高要求。“不斷拓展研發(fā)深度和廣度，產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)的速度，對(duì)于碳化硅企業(yè)至關(guān)重要，而碳化硅襯底片的尺寸擴(kuò)展已成為業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵徑。”作為國(guó)內(nèi)碳化硅領(lǐng)軍企業(yè)，天岳先進(jìn)首席技術(shù)官高超表示，公司研發(fā)的業(yè)內(nèi)首款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)12英寸碳化硅襯底產(chǎn)品，為碳化硅產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)提供了重要支撐。

　　據(jù)介紹，導(dǎo)電型碳化硅襯底可分為p型和n型。其中，p型碳化硅襯底制備的N溝道SiC IGBT器件在高溫和高壓下表現(xiàn)出色，尤其在高壓大功率領(lǐng)域展現(xiàn)出極為廣闊的應(yīng)用前景。2020年，國(guó)家電網(wǎng)中國(guó)電科院成功研制了首枚18千伏N溝道SiC IGBT。目前，國(guó)際上基于p型碳化硅襯底制備的N溝道SiC IGBT，在20千伏以上的器件上已得到驗(yàn)證。12英寸p型碳化硅襯底的問世，對(duì)于推動(dòng)高端特高壓功率器件國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。

　　不過，如何推動(dòng)行業(yè)發(fā)展從“尺寸升級(jí)”向“綜合性能優(yōu)化”躍進(jìn)，仍是碳化硅行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新課題。邱宇峰認(rèn)為碳化硅，目前碳化硅器件規(guī)模化應(yīng)用的“最后一公里”挑戰(zhàn)，既包括可靠性等技術(shù)成熟度因素，也有應(yīng)用場(chǎng)景綜合成本等考量，需緊扣“雙碳+新基建”需求，加快應(yīng)用落地。

　　楊霏認(rèn)為，未來電力系統(tǒng)對(duì)于碳化硅器件需求強(qiáng)烈，要促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同攻關(guān)，加快實(shí)現(xiàn)碳化硅器件的規(guī)模化應(yīng)用。據(jù)悉，萬伏千安級(jí)碳化硅器件在近年內(nèi)實(shí)現(xiàn)樣品研制后將逐步進(jìn)入商業(yè)化批量應(yīng)用，屆時(shí)國(guó)產(chǎn)碳化硅器件有望全面覆蓋高壓輸電領(lǐng)域，以產(chǎn)能與技術(shù)的“雙向奔赴”推動(dòng)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。