對(duì)于我國的電力電子界來說,固態(tài)變壓器(SST)并非是一個(gè)全新的話題,在軌道交通、電網(wǎng)合環(huán)運(yùn)行、大型超充站項(xiàng)目里都有過試點(diǎn)實(shí)踐。受限于高成本、功率器件參數(shù)選擇少、高頻變壓器散熱瓶頸,SST曾經(jīng)的商業(yè)化之路面對(duì)的挑戰(zhàn)大于機(jī)遇。智算中心800V高壓直流供電系統(tǒng)概念的普及,和未來智能電網(wǎng)的電力潮流雙向流動(dòng),讓SST的商業(yè)價(jià)值獲得了前所未有的想象力。

隨著AI算力向MW級(jí)機(jī)架演進(jìn),傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電架構(gòu)已經(jīng)不堪重負(fù),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(xié)同”的關(guān)鍵階段。在這一背景下,SST作為實(shí)現(xiàn)算力與電力高效耦合的核心硬件,受到越來越多的關(guān)注。業(yè)界普遍期待SST成為支撐智算中心極致能效的關(guān)鍵環(huán)節(jié),SST的集裝箱化設(shè)計(jì),也能滿足未來智算中心爆炸式擴(kuò)容,大幅縮短基建周期,實(shí)現(xiàn)快速部署。

作為電力電子界的代表性功率半導(dǎo)體廠商,我們已經(jīng)身臨其境地具身感受到市場(chǎng)對(duì)于SST的熱情。在和客戶的互動(dòng)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(tái)化設(shè)計(jì)思路,全面覆蓋750V、1200V、2.3kV、3.3kV,為市場(chǎng)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(jīng)典的靈魂拷問:

Q1、英飛凌在 SiC 器件設(shè)計(jì)中,是如何在開關(guān)性能、耐壓冗余與長期可靠性三者之間做權(quán)衡與優(yōu)化?

Q2、在SST的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)里,SiC器件選型對(duì)于成本、功率密度、效率、系統(tǒng)可靠性上的平衡點(diǎn)在哪里?

第一個(gè)問題

在10、35kV SST應(yīng)用中,功率半導(dǎo)體器件的確會(huì)面臨前所未有的三重挑戰(zhàn):長期承受高電壓、高開關(guān)頻率應(yīng)力、實(shí)實(shí)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(yīng)用環(huán)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(guān)性能的器件設(shè)計(jì),往往需要犧牲一定的耐壓冗余或可靠性,而過度強(qiáng)調(diào)可靠性又可能限制開關(guān)性能的發(fā)揮。

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

2.耐壓冗余的提高也會(huì)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(huán)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(huán)中耐受形變的能力就越差,從而導(dǎo)致功率循環(huán)老化加快。

3. 高頻開關(guān)帶來的重復(fù)應(yīng)力會(huì)加速器件的閾值電壓漂移,長期工作下來,會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻(RDS(on))增加,通流能力下降。高dv/dt也容易觸發(fā)器件誤導(dǎo)通,這些可靠性問題通常不會(huì)在短期測(cè)試中暴露,而是在長期運(yùn)行中逐漸顯現(xiàn)。

在這些技術(shù)困境下,如何做到開關(guān)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(jié)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(shù)的真正原因:既然碳化硅器件的核心價(jià)值,就是要面向更高壓和高頻應(yīng)用場(chǎng)景,碳化硅設(shè)計(jì)思路的第一性原理,就是要找到一條行之有效、可商業(yè)化的技術(shù)路徑即溝槽柵技術(shù),來實(shí)現(xiàn)這高頻、高壓、高可靠之不可能三角形,為市場(chǎng)提供真正可信賴的技術(shù)革命。

1. 傳統(tǒng)的碳化硅平面柵技術(shù),結(jié)構(gòu)、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,制造成本和進(jìn)入成本相對(duì)低,是大部分碳化硅廠商首先的入門技術(shù)路徑。相形之下,溝槽柵技術(shù)卻正是那個(gè)“難且正確的決定”:

• 溝槽柵技術(shù)可以將溝道做得更密集,從而在更小的芯片面積上實(shí)現(xiàn)同樣的導(dǎo)通能力。這意味著更小的寄生電容和更快的開關(guān)速度。

• 溝槽柵結(jié)構(gòu)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(duì)高頻動(dòng)態(tài)開關(guān)容易引起柵極氧化層閾值漂移的問題,英飛凌積累了詳細(xì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?做到可預(yù)測(cè)可控制:能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)不同應(yīng)用場(chǎng)景下閾值漂移引起的導(dǎo)通電阻變化幅度,從而為客戶的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、裕量預(yù)留提供明確指導(dǎo)。此外英飛凌也積極攜手行業(yè)進(jìn)步,推動(dòng)JEDEC發(fā)布了專屬可靠性指南及標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證流程GSS(門極開關(guān)應(yīng)力測(cè)試)。

3. 英飛凌將碳化硅器件的閾值電壓設(shè)計(jì)得較高。這種設(shè)計(jì)有助于抑制因高dv/dt帶來的誤導(dǎo)通。優(yōu)化的終端設(shè)計(jì),能耐受數(shù)百V/ns的dv/dt沖擊,相關(guān)性能已經(jīng)通過DRB(動(dòng)態(tài)反偏應(yīng)力)測(cè)試驗(yàn)證。

4. 此外,英飛凌還建立了完善的可靠性驗(yàn)證體系,確保器件在長期運(yùn)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(kuò)散焊接技術(shù),在芯片與DCB之間形成更可靠的連接,其功率循環(huán)壽命是普通模塊的22倍。

SST設(shè)計(jì)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(gè)‘配速合理、心率可控’的平衡點(diǎn)。

第二個(gè)問題

SST如何選擇碳化硅參數(shù),在成本、功率密度、效率和系統(tǒng)可靠性之間進(jìn)行最佳系統(tǒng)級(jí)平衡?

從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)角度來看,SST的工程實(shí)現(xiàn)不僅僅是功率器件的選型問題,還涉及級(jí)聯(lián)數(shù)量、系統(tǒng)成本、控制復(fù)雜度和散熱能力等多方面的權(quán)衡。級(jí)聯(lián)數(shù)量越多,輸入電流的諧波畸變率(THDi)越小,輸出側(cè)800V交錯(cuò)并聯(lián)也可以降低濾波電容數(shù)量,但系統(tǒng)復(fù)雜度、體積和成本也會(huì)相應(yīng)上升。相反,子功率單元越少,系統(tǒng)成本越低,控制越簡(jiǎn)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(gè)子功率單元,而使用2.3kV器件僅需20個(gè),3.3kV器件則可進(jìn)一步減少到15個(gè)。三電平比兩電平更復(fù)雜難控制,但可以進(jìn)一步減少級(jí)聯(lián)單元數(shù)量,使用2.3kV器件實(shí)現(xiàn)三電平僅需11個(gè)子功率單元,3.3kV器件三電平則可進(jìn)一步減少到8個(gè),不僅大幅提升了功率密度,還能在一定程度上降低系統(tǒng)總成本。

值得注意的是,更高電壓的器件也會(huì)帶來全新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如,3.3kV器件SiC芯片面積更大,開關(guān)損耗更高,需要更復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路、更高的絕緣距離和電氣間隙設(shè)計(jì)。雖然功率單元數(shù)量減少,但每個(gè)單元需要更優(yōu)的散熱能力,散熱器的尺寸也相應(yīng)增大。同時(shí),母線電壓的提高意味著串聯(lián)電容數(shù)量增加,PCB布局需要進(jìn)一步優(yōu)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(zhàn)。此外,中高頻變壓器的散熱能力也受到繞組環(huán)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(duì)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(jié)合細(xì)分場(chǎng)景、功率顆粒度、自家控制算法優(yōu)勢(shì),在成本、功率密度、效率和系統(tǒng)可靠性之間進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)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(tái)可擴(kuò)展的成熟可靠技術(shù)方案。面向未來,750V、3.3kV EasyPack? 2C也將陸續(xù)問世。

當(dāng)下SST在AI數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用探索,這僅僅只是一個(gè)開始。相信在市場(chǎng)的技術(shù)迭代浪潮中,SST即將面臨快速的技術(shù)升級(jí)和對(duì)碳化硅功率半導(dǎo)體的新需求。這將是廠商和用戶深度協(xié)同的技術(shù)創(chuàng)新之旅,英飛凌也希望自身可以從產(chǎn)品的輸出者,轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)創(chuàng)新的融入者、賦能者、合作同行者,成為首選的零碳技術(shù)創(chuàng)新伙伴。

作為半導(dǎo)體行業(yè)的老兵,英飛凌經(jīng)歷了多輪潮起潮落的經(jīng)濟(jì)周期性波動(dòng),我們深知,來得快的商業(yè)機(jī)會(huì)去的也快,唯有深耕自己的產(chǎn)品價(jià)值企業(yè)價(jià)值、堅(jiān)持長期主義,才能穿越周期。我們期待在取得商業(yè)成功之余,可以為所在的行業(yè)注入創(chuàng)新的價(jià)值,在算電協(xié)同的時(shí)代背景下,英飛凌創(chuàng)新的溝槽柵碳化硅技術(shù)可以成為SST實(shí)現(xiàn)高效、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的理想選擇,助力智算中心實(shí)現(xiàn)值得信賴的技術(shù)革命、成就可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)。