對于我國的電力電子界來說,固態變壓器(SST)并非是一個全新的話題,在軌道交通、電網合環運行、大型超充站項目里都有過試點實踐。受限于高成本、功率器件參數選擇少、高頻變壓器散熱瓶頸,SST曾經的商業化之路面對的挑戰大于機遇。智算中心800V高壓直流供電系統概念的普及,和未來智能電網的電力潮流雙向流動,讓SST的商業價值獲得了前所未有的想象力。

隨著AI算力向MW級機架演進,傳統數據中心供電架構已經不堪重負,難以承載極端功率密度與能效要求。智算中心正從“算力堆砌”邁入“算電協同”的關鍵階段。在這一背景下,SST作為實現算力與電力高效耦合的核心硬件,受到越來越多的關注。業界普遍期待SST成為支撐智算中心極致能效的關鍵環節,SST的集裝箱化設計,也能滿足未來智算中心爆炸式擴容,大幅縮短基建周期,實現快速部署。

作為電力電子界的代表性功率半導體廠商,我們已經身臨其境地具身感受到市場對于SST的熱情。在和客戶的互動中,越來越多的提問和需求聚焦在SST,因此我們也為SST度身打造了EasyPack? 2C系列SiC模塊,以同尺寸平臺化設計思路,全面覆蓋750V、1200V、2.3kV、3.3kV,為市場提供最完整的SiC解決方案。

今天就讓我們一起分析解讀來自客戶端兩大最經典的靈魂拷問:

Q1、英飛凌在 SiC 器件設計中,是如何在開關性能、耐壓冗余與長期可靠性三者之間做權衡與優化?

Q2、在SST的級聯設計里,SiC器件選型對于成本、功率密度、效率、系統可靠性上的平衡點在哪里?

第一個問題

在10、35kV SST應用中,功率半導體器件的確會面臨前所未有的三重挑戰:長期承受高電壓、高開關頻率應力、實實在在的可靠性。就好像初跑者,很難兼顧心率、配速、步幅。

盡管相比于IGBT,碳化硅(SiC)器件的確更適合高壓和高頻應用環境。然而,高壓、高頻、高可靠性這三者之間存在原理上的相互制約:追求開關性能的器件設計,往往需要犧牲一定的耐壓冗余或可靠性,而過度強調可靠性又可能限制開關性能的發揮。

1.SiC器件的耐壓能力很大程度上依賴于漂移區的厚度與摻雜濃度,而漂移區本身正是導通電阻的主要來源。高耐壓等級的SiC MOSFET往往需要更厚及更高電阻率的漂移區,從而增大了導通電阻,因此只有通過大幅增加芯片的有效導通面積(即并聯更多的電流單元),方能實現同等的導通能力(RDS(on))。所以,提高耐壓的代價,是讓芯片面積增大,這會導致寄生電容增加,使得開關損耗上升、開關速度變慢。

2.耐壓冗余的提高也會影響器件的長期可靠。芯片越薄,就越能貼合封裝底板的形變,這樣功率循環耐受能力就越高,反之就越低。而耐壓越高,芯片則越厚,其在功率循環中耐受形變的能力就越差,從而導致功率循環老化加快。

3. 高頻開關帶來的重復應力會加速器件的閾值電壓漂移,長期工作下來,會導致導通電阻(RDS(on))增加,通流能力下降。高dv/dt也容易觸發器件誤導通,這些可靠性問題通常不會在短期測試中暴露,而是在長期運行中逐漸顯現。

在這些技術困境下,如何做到開關性能、耐壓與長期可靠的更好平衡,為智算中心打造一款能夠終結可靠性焦慮的SST?

這可能正是英飛凌早在20多年前就一腔孤勇地選擇溝槽柵技術的真正原因:既然碳化硅器件的核心價值,就是要面向更高壓和高頻應用場景,碳化硅設計思路的第一性原理,就是要找到一條行之有效、可商業化的技術路徑即溝槽柵技術,來實現這高頻、高壓、高可靠之不可能三角形,為市場提供真正可信賴的技術革命。

1. 傳統的碳化硅平面柵技術,結構、工藝相對簡單,制造成本和進入成本相對低,是大部分碳化硅廠商首先的入門技術路徑。相形之下,溝槽柵技術卻正是那個“難且正確的決定”:

• 溝槽柵技術可以將溝道做得更密集,從而在更小的芯片面積上實現同樣的導通能力。這意味著更小的寄生電容和更快的開關速度。

• 溝槽柵結構可以采用更厚的柵氧層,在高電壓下提供更好的柵極可靠性。

2. 針對高頻動態開關容易引起柵極氧化層閾值漂移的問題,英飛凌積累了詳細的經驗模型,做到可預測可控制:能夠精準預測不同應用場景下閾值漂移引起的導通電阻變化幅度,從而為客戶的柵極驅動設計、裕量預留提供明確指導。此外英飛凌也積極攜手行業進步,推動JEDEC發布了專屬可靠性指南及標準認證流程GSS(門極開關應力測試)。

3. 英飛凌將碳化硅器件的閾值電壓設計得較高。這種設計有助于抑制因高dv/dt帶來的誤導通。優化的終端設計,能耐受數百V/ns的dv/dt沖擊,相關性能已經通過DRB(動態反偏應力)測試驗證。

4. 此外,英飛凌還建立了完善的可靠性驗證體系,確保器件在長期運行中的魯棒性和長壽命。在封裝層面,EasyPack? 2C系列SiC模塊采用了.XT擴散焊接技術,在芯片與DCB之間形成更可靠的連接,其功率循環壽命是普通模塊的22倍。

SST設計就像跑步新手:想提速(高頻)、大步幅(高壓),心率(可靠性)就爆表。英飛凌溝槽柵SiC器件的作用,就是幫你找到那個‘配速合理、心率可控’的平衡點。

第二個問題

SST如何選擇碳化硅參數,在成本、功率密度、效率和系統可靠性之間進行最佳系統級平衡?

從系統級設計角度來看,SST的工程實現不僅僅是功率器件的選型問題,還涉及級聯數量、系統成本、控制復雜度和散熱能力等多方面的權衡。級聯數量越多,輸入電流的諧波畸變率(THDi)越小,輸出側800V交錯并聯也可以降低濾波電容數量,但系統復雜度、體積和成本也會相應上升。相反,子功率單元越少,系統成本越低,控制越簡單,可靠性也越高。

例如,在35kV 10MW的SST中,每一相使用1.2kV器件需要約40個子功率單元,而使用2.3kV器件僅需20個,3.3kV器件則可進一步減少到15個。三電平比兩電平更復雜難控制,但可以進一步減少級聯單元數量,使用2.3kV器件實現三電平僅需11個子功率單元,3.3kV器件三電平則可進一步減少到8個,不僅大幅提升了功率密度,還能在一定程度上降低系統總成本。

值得注意的是,更高電壓的器件也會帶來全新的設計挑戰。例如,3.3kV器件SiC芯片面積更大,開關損耗更高,需要更復雜的驅動電路、更高的絕緣距離和電氣間隙設計。雖然功率單元數量減少,但每個單元需要更優的散熱能力,散熱器的尺寸也相應增大。同時,母線電壓的提高意味著串聯電容數量增加,PCB布局需要進一步優化。中高頻變壓器方面,3.3kV相比2.3kV在匝間絕緣、層間絕緣和局部放電方面面臨更大的挑戰。此外,中高頻變壓器的散熱能力也受到繞組環氧塑封(更好絕緣性能)的限制,散熱成為限制功率密度的主要瓶頸之一。

為SST選擇SiC,可能并沒有絕對的最佳,只有最適合自己的方案選擇,需要因地制宜、因材施教,結合細分場景、功率顆粒度、自家控制算法優勢,在成本、功率密度、效率和系統可靠性之間進行系統級平衡。英飛凌1200V SiC分立器件、EasyPack? 2C系列1200V、2.3kV SiC模塊(可送樣),可以為SST提供全平臺可擴展的成熟可靠技術方案。面向未來,750V、3.3kV EasyPack? 2C也將陸續問世。

當下SST在AI數據中心的應用探索,這僅僅只是一個開始。相信在市場的技術迭代浪潮中,SST即將面臨快速的技術升級和對碳化硅功率半導體的新需求。這將是廠商和用戶深度協同的技術創新之旅,英飛凌也希望自身可以從產品的輸出者,轉變為系統創新的融入者、賦能者、合作同行者,成為首選的零碳技術創新伙伴。

作為半導體行業的老兵,英飛凌經歷了多輪潮起潮落的經濟周期性波動,我們深知,來得快的商業機會去的也快,唯有深耕自己的產品價值企業價值、堅持長期主義,才能穿越周期。我們期待在取得商業成功之余,可以為所在的行業注入創新的價值,在算電協同的時代背景下,英飛凌創新的溝槽柵碳化硅技術可以成為SST實現高效、可靠、經濟運行的理想選擇,助力智算中心實現值得信賴的技術革命、成就可持續發展的社會。