目前，標(biāo)準(zhǔn)硅器件仍占電力電子市場(chǎng)的大部分。雖然許多公司正在開發(fā)新的電路拓?fù)湟蕴岣吖杵骷男剩绕涫侨娖酵負(fù)?，但新的碳化硅解決方案正在作為一種新的半導(dǎo)體元件出現(xiàn)，以應(yīng)對(duì)不久的將來(lái)的高功率挑戰(zhàn)。在接受《電力電子新聞》采訪時(shí)，Adam Falcsik – 功率器件產(chǎn)品經(jīng)理，Mike Rogers – 應(yīng)用工程師，功率器件，Eric Motto – 功率器件總工程師，MEUS-SDD 和 Tony Sibik – 副總裁兼 GDM，功率器件，所有與三菱電機(jī)美國(guó)公司相比，都強(qiáng)調(diào)了碳化硅的重要性以及該技術(shù)與硅解決方案相比的機(jī)會(huì)。

將硅與碳化硅相結(jié)合的混合技術(shù)可以提高效率；特別是，帶有碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的硅 IGBT 以相對(duì)較小的成本增加實(shí)現(xiàn)了效率提高。因此，對(duì)于許多應(yīng)用程序，這可能是成本和性能之間的一個(gè)很好的折衷方案。在不改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，三菱電機(jī)指出，顯著提高效率的唯一方法是使用碳化硅。

碳化硅 (SiC)

碳化硅比硅貴得多。因此，重要的是要針對(duì)經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能或其他一些技術(shù)優(yōu)勢(shì)保持同步的應(yīng)用，以便碳化硅成本合理。

三菱電機(jī)一直專注于用于高功率設(shè)備的碳化硅，主要是因?yàn)樗鼈兪谴怪痹O(shè)備，可以提供更高的功率?！?a href="http://m.makelele.cn/tags/氮化鎵/" target="_blank">氮化鎵是一種材料，我們?cè)谖覀兊?RF 團(tuán)隊(duì)中擁有一些經(jīng)驗(yàn)。我們認(rèn)為它在低功耗應(yīng)用中肯定有非常有用的應(yīng)用。但到目前為止，我們的功率器件開發(fā)主要集中在碳化硅上，主要是因?yàn)樗m合更高功率的應(yīng)用。因此，我們擁有額定電流高達(dá) 1200 A 的設(shè)備模塊，并且我們?cè)谏虡I(yè)生產(chǎn)中的額定電壓高達(dá) 3.3 kV，”三菱說(shuō)。?

SiC 的主要障礙之一是它通常被視為一項(xiàng)新技術(shù)。許多在高功率領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師非常保守，因此在建立可靠的性能記錄之前會(huì)減慢采用速度。三菱電機(jī)表示，許多客戶仍處于“觀望”模式?！叭绻缙诓捎谜叱晒κ褂眠@項(xiàng)技術(shù)，提供所需的好處，將會(huì)有更多的采用。我認(rèn)為我們正在逐步度過(guò)那個(gè)階段?！?/p>

為了充分利用碳化硅，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行一些更改，從而對(duì) PCB 進(jìn)行重大更改。然后提供可靠的設(shè)計(jì)來(lái)處理特別高的工作頻率是至關(guān)重要的。??

汽車應(yīng)用是一些受益于碳化硅技術(shù)的應(yīng)用。它特別適用于主推進(jìn)和車載充電器和電池充電站。三菱電機(jī)表示：“在電動(dòng)汽車中，人們強(qiáng)烈希望減小電子設(shè)備的尺寸和重量。碳化硅通過(guò)縮小逆變器尺寸和提高效率來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從而減少給定范圍所需的電池尺寸?！?/p>

公用事業(yè)規(guī)模的存儲(chǔ)解決方案是討論采用 SiC 時(shí)的另一個(gè)主題。這是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的行業(yè)，特別是考慮到向光伏等可再生能源的轉(zhuǎn)變，這些能源需要在沒(méi)有陽(yáng)光照射的情況下通過(guò)儲(chǔ)能來(lái)提供電力。這需要一定的容量來(lái)存儲(chǔ)能量，因此需要更多的轉(zhuǎn)換器和逆變器。碳化硅是這些功率轉(zhuǎn)換級(jí)的絕佳候選者。??

隨著越來(lái)越多的替代能源，電力流動(dòng)需要特別關(guān)注。這需要有源濾波和有源諧波校正。所有這些應(yīng)用最終都涉及到功率半導(dǎo)體。

圖 1：三菱電機(jī) 3.3kV SiC 雙模塊，提供 325A 和 750A 額定值。

圖 2：帶有實(shí)時(shí)控制 (RTC) 的三菱電機(jī) SiC，提供各種額定電流和電壓，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)我們的網(wǎng)站或聯(lián)系您當(dāng)?shù)氐匿N售代表。

智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車和晶圓

風(fēng)能和太陽(yáng)能等基本可再生能源解決方案通常與儲(chǔ)能相結(jié)合，是該行業(yè)增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一，而寬帶隙 SiC 技術(shù)是這些解決方案的核心?？稍偕茉蠢^續(xù)在世界發(fā)電組合中占據(jù)主導(dǎo)地位。

碳化硅的介電強(qiáng)度是硅的 10 倍，因此可以構(gòu)建在更高電壓下運(yùn)行的設(shè)備并滿足充電基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)領(lǐng)域的要求。在更高的開關(guān)頻率下工作仍然提供多種好處，在這個(gè)領(lǐng)域，碳化硅使其適用。更高的開關(guān)頻率允許設(shè)計(jì)人員減小磁鐵、作為濾波器一部分的電感器或變壓器本身的物理尺寸，當(dāng)使用高頻時(shí)，它們可以更小。因此，這是 SiC 的關(guān)鍵方面。

三菱電機(jī)強(qiáng)調(diào)了硅 IGBT 通常具有相對(duì)較慢的開關(guān)速度。隨著阻塞電壓的升高，這種緩慢會(huì)變得更糟。因此，高壓范圍內(nèi)的 IGBT，例如 3.3 kV，速度非常慢，并且具有高開關(guān)損耗。因此，它們只能用于低開關(guān)頻率。

“因此，碳化硅為 3.3 kV 和不久的 6.5 kV 設(shè)備提供了優(yōu)勢(shì)。更重要的是，它們可以以比硅器件高得多的頻率進(jìn)行開關(guān)。我們今天在機(jī)車中看到了這一點(diǎn)，例如地鐵應(yīng)用。我們正在為該應(yīng)用批量生產(chǎn) 3.3 kV 碳化硅器件。它們?nèi)匀皇窍喈?dāng)昂貴的設(shè)備，但它們不僅在逆變器中獲得的效率提高，而且在動(dòng)力系統(tǒng)的其他組件中也使它們適用?！?/p>

由于較高的開關(guān)頻率而產(chǎn)生的低諧波可以顯著提高電機(jī)效率。這使得在高壓電源應(yīng)用中采用碳化硅成為可能。三菱電機(jī)表示，高壓直流輸電將在不久的將來(lái)突破高壓硅器件的極限。這些應(yīng)用使用碳化硅可能會(huì)更有效。而且，在這些應(yīng)用中，我們所說(shuō)的節(jié)能不是幾瓦，而是數(shù)千瓦，甚至數(shù)萬(wàn)瓦。這樣就抵消了成本，證明了顯著的節(jié)能是合理的。

碳化硅器件，特別是在高壓下，是一個(gè)重要的技術(shù)關(guān)鍵；你有更快和更有效的切換?？紤]到傳導(dǎo)損耗，最好的硅 IGBT 被限制在大約 1.2 伏的壓降，即使您在遠(yuǎn)低于其額定電流的情況下工作。但是，碳化硅在低電流下幾乎沒(méi)有電壓降，具體取決于您使用的芯片面積。

三菱電機(jī)表示，路線圖上有幾代發(fā)展，實(shí)施優(yōu)化和新結(jié)構(gòu)以提高碳化硅性能?！傲硪环矫?，硅 IGBT 技術(shù)沒(méi)有太多需要改進(jìn)的地方，我們對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了如此多的優(yōu)化，以至于它與硅的物理極限相抗衡?，F(xiàn)在，仍然有一些漸進(jìn)式改進(jìn)，特別是在可能的優(yōu)化方面，但沒(méi)有像碳化硅那樣引人注目。” 三菱電機(jī)預(yù)計(jì)碳化硅在一段時(shí)間內(nèi)仍將比硅貴。

他們瞄準(zhǔn)的第一個(gè)應(yīng)用程序是那些他們確定證明成本合理的效率數(shù)量的應(yīng)用程序?！拔覀兘裉斓膽?zhàn)略是瞄準(zhǔn)受益最大的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)到當(dāng)今使用硅 IGBT 的任何應(yīng)用都可以使用碳化硅 MOSFET 更高效；相當(dāng)可信的是，在未來(lái)的某個(gè)時(shí)候，Si IGBT 將完全過(guò)時(shí)，但未來(lái)多遠(yuǎn)仍不清楚”

在 SiC 領(lǐng)域，我們還發(fā)現(xiàn)肖特基二極管是一種具有優(yōu)勢(shì)的元件。三菱電機(jī)生產(chǎn) 600 伏至 3.3 kV 的碳化硅肖特基二極管，用于需要大量電流的批量生產(chǎn)應(yīng)用，例如牽引逆變器。還有一些需要二極管的 DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。因此，在 DC 到 DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，碳化硅對(duì)于功率因數(shù)校正非常有利。

目標(biāo)是提供下一代 SiC 器件以優(yōu)化性能價(jià)格比。由于 IGBT 的體積和競(jìng)爭(zhēng)力，三菱電機(jī)指出，仍然需要優(yōu)化成本，優(yōu)化晶圓工藝階段以支持不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)量至關(guān)重要。最大的兩個(gè)障礙仍然是原始碳化硅晶片的時(shí)間和質(zhì)量，它們的晶體結(jié)構(gòu)仍然經(jīng)常存在缺陷，從而對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。特別是它直接轉(zhuǎn)化為設(shè)備的成本，而成本始終是采用任何新技術(shù)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。

審核編輯 黃昊宇