市場(chǎng)一片火熱，第三代半導(dǎo)體——碳化硅究竟用在哪？
市場(chǎng)一片火熱，第三代半導(dǎo)體——碳化硅究竟用在哪？
來(lái)源：Carbontech
SiC 是目前相對(duì)成熟、應(yīng)用最廣的寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗更低、開(kāi)關(guān)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、列車牽引設(shè)備、充電樁、開(kāi)關(guān)電源、光伏逆變器、伺服電機(jī)、高壓直流輸電設(shè)備等民用場(chǎng)景，還可顯著提升戰(zhàn)斗機(jī)、戰(zhàn)艦等軍用系統(tǒng)裝備的性能。
圖1：SiC應(yīng)用場(chǎng)景
來(lái)源：東興研究所、DT新材料
1.新能源汽車
· 車載充電機(jī)（OBC）：車載充電機(jī)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(dòng)力電池充電，充電過(guò)程中宜由車載充電機(jī)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(jī)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(jī)一般為兩級(jí)電路，前級(jí)為PFC級(jí)，即功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，且保證輸入交流電流與輸入交流電壓同相位，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)功率需求的不同，可采用多級(jí)Boost電路并聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)容；后級(jí)為DC/DC級(jí)，實(shí)現(xiàn)PFC級(jí)輸出直流電壓變?yōu)樗璩潆婋妷海瑢?shí)現(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(jī)PFC和DC-DC次級(jí)整流環(huán)節(jié)，推動(dòng)車載充電機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)圖
來(lái)源：CNKI，DT新材料
· 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：將碳化硅功率器件作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)器件可顯著降低損耗。其中，SiC BJT 構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)器損耗降低了53%；當(dāng)頻率升高時(shí)，損耗還會(huì)進(jìn)一步降低，開(kāi)關(guān)頻率為 15 kHz 時(shí)，SiC BJT驅(qū)動(dòng)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(dǎo)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(lái)5%～8%的逆變器效率提升，對(duì)電動(dòng)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(shù)。此外，比亞迪·漢EV高性能四驅(qū)版本也搭載了SiC器件，為國(guó)內(nèi)首款采用SiC技術(shù)的車型。蔚來(lái)計(jì)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(tái)。預(yù)計(jì)未來(lái)將有越來(lái)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(lái)巨大的市場(chǎng)需求。
圖3：特斯拉Model 3采用搭載SiC MOSFET的逆變器
來(lái)源：公開(kāi)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(jì)費(fèi)系統(tǒng)、通信及控制系統(tǒng)、讀卡及授權(quán)系統(tǒng)等，其中電源模塊是核心部件，占設(shè)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(dòng)力電池充電。因SiC基晶體管可以實(shí)現(xiàn)比硅基功率器件更高的開(kāi)關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域加速市場(chǎng)滲透。
圖4：120kw直流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
來(lái)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(kāi)關(guān)頻率，降低開(kāi)關(guān)損耗，其高頻化可以進(jìn)一步降低無(wú)源器件的噪聲、溫度、體積與重量，提升裝置應(yīng)用的機(jī)動(dòng)性、靈活性，是新一代牽引逆變器技術(shù)的主流發(fā)展方向。在“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)指引下，碳化硅功率器件將加速在軌道交通領(lǐng)域的滲透。目前株洲中車時(shí)代聯(lián)合深圳地鐵集團(tuán)基于3300V等級(jí)高壓大功率SiC MOSFET的高頻化應(yīng)用自主開(kāi)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(yàn)測(cè)試，同比傳統(tǒng)硅基IGBT牽引逆變器的傳動(dòng)系統(tǒng)，綜合能耗降低10%以上，牽引電機(jī)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(lái)源：中車浦鎮(zhèn)、DT新材料
4.光伏與風(fēng)電
太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)是分別利用光伏電池板和風(fēng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，直接將太陽(yáng)能或風(fēng)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(shí)現(xiàn)發(fā)電。為實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，對(duì)逆變器提出了更為嚴(yán)苛的要求，需要相關(guān)半導(dǎo)體器件具有較大的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、耐高溫、耐高壓并能夠工作在更高的開(kāi)關(guān)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(chǎng)景的應(yīng)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(kāi)關(guān)中最有前景的器件之一。
目前陽(yáng)光電源應(yīng)用SiC器件的組串逆變器已廣泛應(yīng)用于全球市場(chǎng)；國(guó)家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院自主開(kāi)發(fā)了全球首個(gè)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(diǎn)，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(kāi)發(fā)的新型全碳化硅超薄光伏逆變器
來(lái)源：北極星太陽(yáng)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(shè)備及更優(yōu)良器件的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)其集智能、靈活、互動(dòng)、兼容、高效等多功能于一體的關(guān)鍵。傳統(tǒng)硅基電力電子變壓器已在小功率電網(wǎng)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了部分應(yīng)用，但由于損耗大、體積大等缺陷尚無(wú)法在高壓大功率的輸電領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)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(wú)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(wèn)題，碳化硅功率器件關(guān)斷電壓最高達(dá)200 kV和工作溫度高達(dá)600℃。碳化硅基功率開(kāi)關(guān)由于具有極低的開(kāi)啟態(tài)電阻，并且能應(yīng)用于高壓、高溫、高頻場(chǎng)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(kāi)關(guān)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(duì)未來(lái)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(dǎo)體器件可在高溫、高壓、高頻、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境下工作，性能優(yōu)勢(shì)突出，將其應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，不僅可降低驅(qū)動(dòng)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(jī)響應(yīng)性能，這對(duì)于我國(guó)突破高端伺服電機(jī)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)高性能伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器國(guó)產(chǎn)化具有重要意義。邁信電氣與英飛凌合作開(kāi)發(fā)了基于SiC-MOSFET自然散熱設(shè)計(jì)的一體化伺服電機(jī)系統(tǒng)，其功率板選用6顆30mΩ-SMD封裝的CoolSiCTM MOSFET，具有較低的導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、優(yōu)異的開(kāi)關(guān)速度可控性和散熱性能。
圖7：基于SiC-MOSFET自然散熱設(shè)計(jì)的一體化伺服電機(jī)系統(tǒng)
來(lái)源：邁信電氣，DT新材料
7.家電
以空調(diào)為代表，為進(jìn)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(shè)計(jì)，這對(duì)IGBT和FRD提出了越來(lái)越高的高頻要求。目前已有空調(diào)廠家開(kāi)始選用碳化硅二極管，比傳統(tǒng)硅快回復(fù)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(gè)百分點(diǎn)，由于碳化硅二極管反向恢復(fù)時(shí)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(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，碳化硅MOS是一個(gè)不錯(cuò)的選擇；同時(shí)集成碳化硅二極管+IGBT或者碳化硅MOS的模塊也是一個(gè)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(chǎng)景都會(huì)有碳化硅的應(yīng)用機(jī)會(huì)，比如TV（商用顯示器或者特殊功能顯示器）、商用滾筒洗衣機(jī)、高端微波爐、高端電飯煲等，及其他大于500W的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路。且功率越大，電壓越高的場(chǎng)合，用碳化硅的優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)出性能更優(yōu)，可靠性更高的產(chǎn)品。
目前瑞能半導(dǎo)體的碳化硅產(chǎn)品已經(jīng)批量供貨給國(guó)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(diǎn)布局碳化硅功率器件領(lǐng)域，其中2019年，美的與三安光電進(jìn)行合作共同成立第三代半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室，聚焦在GaN、SiC半導(dǎo)體功率器件芯片與IPM（智能功率模塊）的應(yīng)用電路相關(guān)研發(fā)，并將其導(dǎo)入白色家電；2021年，格力公開(kāi)了“碳化硅肖特基半導(dǎo)體器件”專利，可以在降低正向工作電壓的同時(shí)，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(lái)，隨著USB PD快充技術(shù)的普及和氮化鎵技術(shù)的成熟，大功率快充電源市場(chǎng)逐漸興起，碳化硅二極管可助力快充電源實(shí)現(xiàn)更高的效率和更小的體積，逐漸在消費(fèi)類電源市場(chǎng)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(dǎo)入了碳化硅技術(shù)。在大功率快充電源產(chǎn)品中，碳化硅二極管主要用于PFC級(jí)的升壓整流，其搭配氮化鎵功率器件，可以將PFC級(jí)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(shí)現(xiàn)高功率密度的設(shè)計(jì)，同時(shí)也讓電源的效率得到了大幅提升。
圖8：基本半導(dǎo)體SMBF封裝碳化硅肖特基二極管
來(lái)源：快科技,DT新材料
9.不間斷電源（UPS）
IGBT因同時(shí)具有MOSFET易于驅(qū)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，以及功率晶體管導(dǎo)通電壓低，通態(tài)電流大的性能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)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(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即開(kāi)關(guān)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(yīng)用在UPS上可實(shí)現(xiàn)更加高效節(jié)能。模塊層面上，碳化硅主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：更小的芯片尺寸和更低的動(dòng)態(tài)損耗。更低的動(dòng)態(tài)損耗可帶來(lái)輸出功率的顯著增加，且無(wú)需額外的冷卻能力，將提供減輕重量和減小體積的機(jī)會(huì)。
10.LED照明
碳化硅在大功率LED方面具有非常大的優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)、單位芯片面積更小。碳化硅LED照明設(shè)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(dǎo)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(duì)于我國(guó)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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