可再生能源驱动，功率半导体将迈向何方？

2026-04-22 15:56 来源：贸泽电子芯片新品 12 次阅读

摘要：在全球能源转型浪潮的推动下，可再生能源扮演的角色越来越重要，由此也拉动着光伏、储能和电动汽车充电桩等新兴功率电子应用的长足发展。以全球太阳能逆变器及储能系统市场为例，根据市场研究机构Omdia的预测，该市场规模预计将从2024年的约14亿美元，增长至2029年的约27亿美元，年复合增长率高达10.6%。在这样的大趋势下，作为可再生能源支柱性要素的功率半导体技术，也迎来了新一轮的发展机遇。当然，

在全球能源转型浪潮的推动下，可再生能源扮演的角色越来越重要，由此也拉动着光伏、储能和电动汽车充电桩等新兴功率电子应用的长足发展。

以全球太阳能逆变器及储能系统市场为例，根据市场研究机构Omdia的预测，该市场规模预计将从2024年的约14亿美元，增长至2029年的约27亿美元，年复合增长率高达10.6%。

在这样的大趋势下，作为可再生能源支柱性要素的功率半导体技术，也迎来了新一轮的发展机遇。当然，经验告诉我们，想要抓住机遇，满足行业所需，尽享市场红利，功率半导体技术在演进的过程中，也将面临着多维度的严峻挑战：

更高的效率与更低的损耗

对高效率的追求，是贯穿功率电子发展的主线。随着大量可再生能源设备的部署，效率提升的“一小步”将意味着可观的经济回报。这也决定了功率半导体必须加紧工艺和材料方面的创新，千方百计降低导通损耗和低开关损耗，不断抬高效率的天花板。

高功率密度与小型化设计

很多新兴的可再生能源应用，比如住宅光伏和储能系统，对设备体积提出了越来越严格的限制，这也进一步加速了功率半导体器件向小型化迭代的步伐，同时通过优化散热设计，令功率器件能够在有限空间内处理更高的功率。

高可靠性与长效使用

可再生能源系统通常需要在户外等严苛环境下长期运行，面临着温度、湿度、电网波动等多重应力的考验，这无疑对功率器件的环境耐受性和长期可靠性提出了极高的要求。

不断增加的成本压力

随着规模化应用以及市场竞争的加剧，成本的优化也是可再生能源设备开发绕不开的课题。而且，随着光伏、储能等设备下沉到住宅和工商业等更多元化的市场，其核心功率半导体器件面临的成本压力也会持续增加。

高效率、小型化、高可靠、低成本……想要应对来自可再生能源领域这些挑战，功率半导体技术的发展路径离不开两条主线：

一是持续挖掘传统硅（Si）材料的性能极限，进一步提升IGBT等关键功率器件的性能，快速响应当今及可预见未来主流市场的需求。
二是加速布局以碳化硅（SiC）为代表的下一代宽禁带半导体技术，打造前瞻性的产品和方案，为可持续的发展打牢技术根基。

作为全球功率半导体领域的头部厂商，Infineon是这两条技术路线的积极践行者，并推出了一系列极具竞争力的产品，为可再生能源应用提供了创新的解决方案。

推动硅器件的深度进化

尽管SiC等宽禁带半导体技术的发展备受瞩目，但硅基IGBT在今天的可再生能源领域依然扮演着不可替代的角色，这主要体现在以下几个方面：

性能与可靠性的均衡：经过数十年的持续演进，IGBT技术已臻成熟，在保持高可靠性的同时，不断取得性能上的突破，在两者之间保持着极优的均衡。这无疑是规模化商用所看重的。
成本敏感应用理想之选：住宅和工商业中的可再生能源应用，对成本更为敏感，IGBT在系统级成本上的显著优势，使其成为高性价比解决方案的更优解。
稳固的应用市场基本盘：目前光伏逆变器和储能系统的工作频率通常集中在4-20kHz中等开关频率区间，而这正是IGBT器件的优势所在，能够在这一频率范围内实现导通损耗和开关损耗的良好平衡。这也为IGBT提供了一个稳固的市场基础。
持续进化的技术潜力：尽管从理论上讲，硅基功率器件已经越来越接近性能的天花板，但事实证明，通过技术创新，这一“天花板”还在被不断地抬升，进而拓展IGBT在可再生能源领域的市场空间，使其具有更长久的生命力。

在持续挖掘IGBT的技术潜力方面，Infineon的TRENCHSTOP™ IGBT7技术就是一个很成功的案例。作为Infineon第七代1200V IGBT技术，IGBT7基于先进的微沟槽技术，与上一代IGBT4相比，实现了重大性能跃升：

更低的导通电压

IGBT 7采用全新的微沟槽栅结构，通过更窄的台面间距增强了载流子存储效应，这使其在保持与IGBT4几乎相同的关断损耗前提下，可将导通电压 VCE(sat) 降低约20%，进而显著减少系统整体功耗。

优化的开关特性

IGBT 7提供了高水平的dv/dt可控性，允许设计者通过调整栅极电阻 (RG) 灵活地控制电压斜率，同时开关波形更平滑，减少了电压过冲和振荡，进一步优化EMI性能。

增强的耐高温特性

IGBT 7允许在过载条件下短时间内将结温提升至175°C，显著提升了输出功率能力，为系统设计提供更充足的可靠性和安全裕量。

更高的功率密度

在相同外壳和系统冷却条件下，IGBT7可承载电流能够提升30%；使用更小的封装，可实现11%的输出功率提升；在相同输出功率下，可降低40%的散热器性能要求。

图1：TRENCHSTOP™ IGBT7技术关键优势

（图源：Infineon）

1200V TRENCHSTOP IGBT7 H7分立式晶体管，顾名思义，就是基于IGBT7技术的产品，其具有高度的可控性、低导通损耗、低开关损耗的特点，以及优化的EMI性能及恶劣环境耐受性，支持低至5Ω的栅极电阻，是光伏系统、快速充电桩等应用的理想选择。

图2：1200V TRENCHSTOP IGBT7 H7分立式晶体管（图源：Infineon）

加速SiC产品布局

如果说IGBT7代表了硅材料的深度进化，那么SiC器件则将开启功率半导体的全新可能。

大家知道，与传统的硅材料相比，SiC材料具有更宽的禁带宽度、更高的临界击穿场强和更高的热导率，这使得基于SiC的功率器件能够实现更低的开关损耗、更高的工作频率、更小的系统尺寸、更高的耐压能力和更出色的耐高温能力，这些优势对于快速发展中的可再生能源系统至关重要。

正是因为SiC代表着功率电子发展的大趋势，所以Infineon在SiC技术探索和产品开发上也早有布局，并深耕多年，CoolSiC™ MOSFET就是这一策略重要的成果之一，今天已经进化到了第二代G2技术。

CoolSiC™ MOSFET G2与前代G1产品相比，在高可靠性的基础上，综合实力实现了全面地提升。

在性能方面，通过优化的芯片设计，CoolSiC™ MOSFET G2与上一代G1相比，在典型负载条件下可降低5-20%的总功耗，关键优值系数（FOM，如RDS(on) × QGD）也有大幅改善，这意味着其在硬开关和软开关拓扑中都能实现更高的效率。

在热管理和可靠性方面，通过采用改进的.XT扩散焊接技术，CoolSiC™ MOSFET G2热阻相比G1降低12%以上，使其能够耗散更多热量；而且其在短时间内可承受高达200°C的过载工作结温，极大地简化了应对过流事件的热设计与系统保护方案。

同时，CoolSiC™ MOSFET G2还引入了Q-DPAK顶部散热封装，实现了器件顶部与散热器之间的直接热传导，热传导效率相比传统底部散热封装显著提升。这种封装还大大降低了寄生电感，有利于提高开关速度并减少电压过冲风险。

图3：CoolSiC™ MOSFET G2的优势特性

（图源：Infineon）

目前，随着CoolSiC™ MOSFET G2技术的成熟，Infineon可以提供丰富的封装选择和精细化的产品组合，覆盖从650V到1200V各个电压等级，具有4mΩ至260mΩ的导通电阻范围，能够匹配可再生能源领域不同功率、多样化应用场景的需求。

图4：1200V CoolSiC™ MOSFET G2产品组合（图源：Infineon）

值得一提的是，除了纯SiC MOSFET器件，Infineon还探索出了一条独特的创新路径——将SiC MOSFET与其他器件整合在一起，形成CoolSiC™ Hybrid集成式解决方案。

IMY120R系列就是CoolSiC™ Hybrid 混合分立器件中的代表产品，其在一个封装内创新性地集成了一个CoolSiC™ MOSFET G2和一个反并联的EC7快速硅二极管。这种“混合”设计思路有利于在特定拓扑中实现性能与可靠性的平衡。

例如，在电流连续模式 (CCM) 的图腾柱PFC电路中，高频桥臂的MOSFET需要承受硬换流的反向恢复应力，而IMY120R中由于集成了EC7二极管，可由它来专门承担这部分工作，其软恢复特性有助于降低电压过冲和电磁干扰，提高了系统可靠性。同时，相较于外部分立的二极管方案，这种二合一的“混合”方案更为简化，可更大限度地节省系统空间。