市場一片火熱，第三代半導體——碳化硅究竟用在哪？
市場一片火熱，第三代半導體——碳化硅究竟用在哪？
來源：Carbontech
SiC 是目前相對成熟、應用最廣的寬禁帶半導體材料，基于 SiC 的功率器件相較 Si 基器件具有耐高壓、耐高溫、抗輻射、散熱能力佳、導通損耗與開關損耗更低、開關頻率更高、可減小模塊體積等杰出特性，不僅可廣泛用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)、列車牽引設備、充電樁、開關電源、光伏逆變器、伺服電機、高壓直流輸電設備等民用場景，還可顯著提升戰(zhàn)斗機、戰(zhàn)艦等軍用系統(tǒng)裝備的性能。
圖1：SiC應用場景
來源：東興研究所、DT新材料
1.新能源汽車
· 車載充電機（OBC）：車載充電機是指固定在汽車上，可將地面的交流充電樁輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，直接給動力電池充電，充電過程中宜由車載充電機提供電池管理系統(tǒng)（BMS）、充電接觸器、儀表盤、冷卻系統(tǒng)等低壓用電電源。車載充電機由輸入端口，控制單元，功率單元，低壓輔助單元和輸出端口等部件組成。車載充電機一般為兩級電路，前級為PFC級，即功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，實現(xiàn)電網(wǎng)交流電壓變?yōu)橹绷麟妷海冶ＷC輸入交流電流與輸入交流電壓同相位，根據(jù)實際設計功率需求的不同，可采用多級Boost電路并聯(lián)進行擴容；后級為DC/DC級，實現(xiàn)PFC級輸出直流電壓變?yōu)樗璩潆婋妷海瑢崿F(xiàn)恒流/恒壓充電功能，并保證交流高壓側(cè)與直流高壓側(cè)的電氣絕緣。SiC二極管及MOSFET器件則可用于車載充電機PFC和DC-DC次級整流環(huán)節(jié)，推動車載充電機向雙向充放電、集成化、智能化、小型化、輕量化、高效率化等方向發(fā)展。
圖2：車載充電機結(jié)構(gòu)圖
來源：CNKI，DT新材料
· 電機驅(qū)動器：將碳化硅功率器件作為電機驅(qū)動器的開關器件可顯著降低損耗。其中，SiC BJT 構(gòu)成的驅(qū)動器損耗降低了53%；當頻率升高時，損耗還會進一步降低，開關頻率為 15 kHz 時，SiC BJT驅(qū)動器的損耗降低了67%。
特拉斯是全球率先采用碳化硅逆變器的車企，其Model 3采用了意法半導體推出的650V SiC MOSFET逆變器，相較Model X等車型上采用的IGBT能帶來5%～8%的逆變器效率提升，對電動車的續(xù)航能力有著顯著提升;之后相繼推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技術。此外，比亞迪·漢EV高性能四驅(qū)版本也搭載了SiC器件，為國內(nèi)首款采用SiC技術的車型。蔚來計劃今年發(fā)布的純電轎車也將搭載采用SiC模塊的第二代電驅(qū)平臺。預計未來將有越來越多的新能源車型采用碳化硅器件以全面替代硅基IGBT，為碳化硅器件帶來巨大的市場需求。
圖3：特斯拉Model 3采用搭載SiC MOSFET的逆變器
來源：公開資料，DT新材料
2.直流充電樁
·直流充電樁又稱快充充電樁，內(nèi)部包含電源模塊、計費系統(tǒng)、通信及控制系統(tǒng)、讀卡及授權系統(tǒng)等，其中電源模塊是核心部件，占設備總成本的50%，可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電為汽車動力電池充電。因SiC基晶體管可以實現(xiàn)比硅基功率器件更高的開關頻繁，因此可以提供高功率密度、超小的體積，將在直流充電樁應用領域加速市場滲透。
圖4：120kw直流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
來源：CNKI，DT新材料
3.軌道交通
碳化硅功率器件相較傳統(tǒng)硅基IGBT能夠有效提升開關頻率，降低開關損耗，其高頻化可以進一步降低無源器件的噪聲、溫度、體積與重量，提升裝置應用的機動性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術的主流發(fā)展方向。在“碳中和、碳達峰”目標指引下，碳化硅功率器件將加速在軌道交通領域的滲透。目前株洲中車時代聯(lián)合深圳地鐵集團基于3300V等級高壓大功率SiC MOSFET的高頻化應用自主開發(fā)了地鐵列車全碳化硅牽引逆變器，在節(jié)能方面表現(xiàn)優(yōu)異，經(jīng)裝車試驗測試，同比傳統(tǒng)硅基IGBT牽引逆變器的傳動系統(tǒng)，綜合能耗降低10%以上，牽引電機在中低速段噪聲同比下降5分貝以上，溫升同比降低40℃以上。
圖5：全碳化硅永磁直驅(qū)地鐵列車
來源：中車浦鎮(zhèn)、DT新材料
4.光伏與風電
太陽能和風能發(fā)電系統(tǒng)是分別利用光伏電池板和風力帶動發(fā)電機，直接將太陽能或風能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，都需要以逆變器作為接口連接電網(wǎng)從而實現(xiàn)發(fā)電。為實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運行，對逆變器提出了更為嚴苛的要求，需要相關半導體器件具有較大的擊穿場強、耐高溫、耐高壓并能夠工作在更高的開關頻率下。傳統(tǒng)硅基器件由于材料固有特性限制了其在高溫、高壓、高效率場景的應用。SiC基功率器件是其完美替代者，其中SiC MOSFET是高速低損耗功率開關中最有前景的器件之一。
目前陽光電源應用SiC器件的組串逆變器已廣泛應用于全球市場；國家能源集團北京低碳清潔能源研究院自主開發(fā)了全球首個超薄全碳化硅高頻隔離光伏逆變器，與現(xiàn)有光伏逆變器相比具有體積小、重量輕等優(yōu)點，既降低了系統(tǒng)成本，又提高了系統(tǒng)效率和系統(tǒng)安全性，可以以此構(gòu)建低成本高效率的光伏建筑一體化電氣系統(tǒng)。
圖6：低碳院自主開發(fā)的新型全碳化硅超薄光伏逆變器
來源：北極星太陽能光伏網(wǎng)，DT新材料
5.智能電網(wǎng)
傳統(tǒng)電網(wǎng)正在向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變，智能化電網(wǎng)設備及更優(yōu)良器件的應用是實現(xiàn)其集智能、靈活、互動、兼容、高效等多功能于一體的關鍵。傳統(tǒng)硅基電力電子變壓器已在小功率電網(wǎng)領域?qū)崿F(xiàn)了部分應用，但由于損耗大、體積大等缺陷尚無法在高壓大功率的輸電領域展開應用。比如目前商用硅基IGBT的最大擊穿電壓僅為6．5 kV，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。而碳化硅基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和工作溫度高達600℃。碳化硅基功率開關由于具有極低的開啟態(tài)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，另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，體積與重量減少40%，將對未來電網(wǎng)形態(tài)和能源戰(zhàn)略調(diào)整產(chǎn)生重大影響。
6.工業(yè)控制
基于SiC的功率半導體器件可在高溫、高壓、高頻、強輻射等極端環(huán)境下工作，性能優(yōu)勢突出，將其應用于電機驅(qū)動領域，不僅可降低驅(qū)動器的體積、重量、損耗，提升功率密度，還能有效減少音頻噪聲并提升電機響應性能，這對于我國突破高端伺服電機技術和實現(xiàn)高性能伺服電機及驅(qū)動器國產(chǎn)化具有重要意義。邁信電氣與英飛凌合作開發(fā)了基于SiC-MOSFET自然散熱設計的一體化伺服電機系統(tǒng)，其功率板選用6顆30mΩ-SMD封裝的CoolSiCTM MOSFET，具有較低的導通損耗、開關損耗、優(yōu)異的開關速度可控性和散熱性能。
圖7：基于SiC-MOSFET自然散熱設計的一體化伺服電機系統(tǒng)
來源：邁信電氣，DT新材料
7.家電
以空調(diào)為代表，為進一步減小電抗體積，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)效率，變頻空調(diào)PFC頻率已由目前主流的40kHZ，向70kHZ、80kHZ甚至更高的頻率設計，這對IGBT和FRD提出了越來越高的高頻要求。目前已有空調(diào)廠家開始選用碳化硅二極管，比傳統(tǒng)硅快回復二極管具有更小的正向?qū)▔航?，更高的耐溫及高溫穩(wěn)定性，PFC效率能提升0.7 ~ 1個百分點，由于碳化硅二極管反向恢復時間很短，減輕了加在IGBT上的漏電流，可使IGBT溫度降低約2℃～3℃，提升了系統(tǒng)整體性能和可靠性。對于IGBT來說，碳化硅MOS是一個不錯的選擇；同時集成碳化硅二極管+IGBT或者碳化硅MOS的模塊也是一個較優(yōu)選擇。
理論上，只要是PFC或者升壓電路、高壓或高功率電源場景都會有碳化硅的應用機會，比如TV（商用顯示器或者特殊功能顯示器）、商用滾筒洗衣機、高端微波爐、高端電飯煲等，及其他大于500W的PFC拓撲結(jié)構(gòu)電路。且功率越大，電壓越高的場合，用碳化硅的優(yōu)勢越明顯，能夠提高系統(tǒng)效率，減小板子尺寸，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而設計出性能更優(yōu)，可靠性更高的產(chǎn)品。
目前瑞能半導體的碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)批量供貨給國內(nèi)主要空調(diào)廠商使用；而以美的、格力為代表的家電廠商目前也正在重點布局碳化硅功率器件領域，其中2019年，美的與三安光電進行合作共同成立第三代半導體實驗室，聚焦在GaN、SiC半導體功率器件芯片與IPM（智能功率模塊）的應用電路相關研發(fā)，并將其導入白色家電；2021年，格力公開了“碳化硅肖特基半導體器件”專利，可以在降低正向工作電壓的同時，提高擊穿電壓，因而能夠降低正向?qū)〒p耗，提高工作效率。
8.快充電源
近年來，隨著USB PD快充技術的普及和氮化鎵技術的成熟，大功率快充電源市場逐漸興起，碳化硅二極管可助力快充電源實現(xiàn)更高的效率和更小的體積，逐漸在消費類電源市場中嶄露頭角，目前倍思120W快充、MOMAX 100W 快充，以及REMAX 100W快充率先導入了碳化硅技術。在大功率快充電源產(chǎn)品中，碳化硅二極管主要用于PFC級的升壓整流，其搭配氮化鎵功率器件，可以將PFC級的工作頻率從傳統(tǒng)快充的不足100KHz提升到300KHz，不僅減小升壓電感體積，實現(xiàn)高功率密度的設計，同時也讓電源的效率得到了大幅提升。
圖8：基本半導體SMBF封裝碳化硅肖特基二極管
來源：快科技,DT新材料
9.不間斷電源（UPS）
IGBT因同時具有MOSFET易于驅(qū)動，控制簡單，開關頻率高的優(yōu)點，以及功率晶體管導通電壓低，通態(tài)電流大的性能特點，廣泛應用于不間斷電源系統(tǒng)（UPS）。使用IGBT的UPS具有效率高、抗沖擊能力強、可靠性高的優(yōu)點，但有一個明顯的缺點，即開關的速度越快（以獲得更高的精度），電力損失就越高。而采用碳化硅則可改變這一缺陷，應用在UPS上可實現(xiàn)更加高效節(jié)能。模塊層面上，碳化硅主要有兩個優(yōu)點：更小的芯片尺寸和更低的動態(tài)損耗。更低的動態(tài)損耗可帶來輸出功率的顯著增加，且無需額外的冷卻能力，將提供減輕重量和減小體積的機會。
10.LED照明
碳化硅在大功率LED方面具有非常大的優(yōu)勢，基于碳化硅的LED能夠?qū)崿F(xiàn)亮度更高、能耗更低，使用周期更長、單位芯片面積更小。碳化硅LED照明設備能將原LED燈使用數(shù)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。如果大規(guī)模使用碳化硅LED照明替代白熾燈及熒光燈，對于我國節(jié)約用電，減少煤炭的消耗與CO2的排放具有重大意義。
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