電力電子仍然主要基于標(biāo)準(zhǔn)硅器件。雖然三電平和其他硅電路拓?fù)湔诔霈F(xiàn)以提高效率,，但新的碳化硅 (SiC) 設(shè)計(jì)正在出現(xiàn),，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)不斷增長(zhǎng)的高功率要求,。

在采訪中，三菱電機(jī)美國(guó)公司的功率器件經(jīng)理強(qiáng)調(diào)了碳化硅與標(biāo)準(zhǔn)硅實(shí)現(xiàn)相比的前景,。

他們表示,，可以通過(guò)將硅與碳化硅相結(jié)合的混合技術(shù)來(lái)提高效率。例如,，具有碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管的硅基絕緣柵雙極晶體管 (IBGT) 以相對(duì)較小的成本增加實(shí)現(xiàn)了效率提高,。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這代表了成本和性能之間的折衷,。

在不改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下,，三菱工程師斷言 SiC 是顯著提高效率的唯一方法之一。

昂貴的碳化硅

碳化硅仍然比硅貴得多,。因此,，重要的是要確定經(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，以證明費(fèi)用合理,。

三菱電機(jī)專(zhuān)注于大功率設(shè)備的 SiC,，主要是因?yàn)樗鼈兪窃诟唠妷合鹿ぷ鞯拇怪苯M件?！暗壥俏覀?cè)?RF 團(tuán)隊(duì)中擁有一些經(jīng)驗(yàn)的材料,。我們認(rèn)為它在低功率應(yīng)用中肯定有非常有用的應(yīng)用，”三菱電機(jī)功率器件產(chǎn)品經(jīng)理 Adam Falcsik 說(shuō),。

“到目前為止,，我們的功率器件開(kāi)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 [生產(chǎn)中] 的設(shè)備模塊額定電流高達(dá) 1200 A，額定電壓高達(dá) 3.3 kV,，”Falcsik 補(bǔ)充道,。

碳化硅技術(shù)被認(rèn)為是未經(jīng)證實(shí)的，因此被傾向于保守的電力工程師認(rèn)為是有風(fēng)險(xiǎn)的,。許多人寧愿等待性能可靠的證據(jù)再采取行動(dòng),，從而減緩 SiC 的采用,。

事實(shí)上，三菱工程師注意到客戶(hù)仍處于“觀望”模式,。

“如果早期采用者成功地使用了這項(xiàng)技術(shù),，并提供了預(yù)期的好處，那么采用率將會(huì)大大增加,。我認(rèn)為我們正在逐步通過(guò)那個(gè)階段,，”三菱電機(jī)的功率設(shè)備應(yīng)用工程師 Mike Rogers 說(shuō)。

需要更改設(shè)計(jì)以充分利用碳化硅,，從而導(dǎo)致 PCB 大量返工,。該公司補(bǔ)充說(shuō)，由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)必須能夠處理更高的工作頻率,。

電動(dòng)汽車(chē),、存儲(chǔ)應(yīng)用

汽車(chē)應(yīng)用將從碳化硅技術(shù)中受益匪淺，尤其是電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)以及車(chē)載或充電站的電池充電,。三菱電源設(shè)備經(jīng)理 Tony Sibik 表示,，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，“人們強(qiáng)烈希望減小電子設(shè)備的尺寸和重量”,。

“碳化硅有助于通過(guò)縮小逆變器尺寸[和]提高效率,，從而減少給定范圍所需的電池尺寸?！?/p>

電力設(shè)施規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用是采用 SiC 的另一個(gè)潛在驅(qū)動(dòng)力,。該行業(yè)受益于向太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源的轉(zhuǎn)變,，在沒(méi)有陽(yáng)光和風(fēng)的時(shí)候提供電力,。

在高峰需求期間提供電力需要足夠的容量來(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)換步驟的有希望的候選者,。

隨著越來(lái)越多的替代能源上線，潮流需要特別注意,，包括有源濾波和諧波校正,。所有這些都需要功率半導(dǎo)體。同時(shí),，寬帶隙 SiC 技術(shù)有望促進(jìn)可再生能源的存儲(chǔ),。

一個(gè)原因是 SiC 的介電強(qiáng)度是硅的 10 倍，從而為構(gòu)建在更高電壓下運(yùn)行的設(shè)備提供了一個(gè)框架,，同時(shí)滿(mǎn)足遠(yuǎn)程充電基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)要求,。此外，更高的開(kāi)關(guān)頻率允許設(shè)計(jì)人員減小磁體,、電感器和其他濾波器組件(包括變壓器)的物理尺寸,。

三菱電機(jī)工程師指出，硅 IGBT 通常具有相對(duì)較慢的開(kāi)關(guān)，隨著阻斷電壓的增加而進(jìn)一步減慢,。高壓范圍內(nèi)的 IGBT,，例如 3.3 kV，速度非常慢,，并且表現(xiàn)出高開(kāi)關(guān)損耗,，將它們限制在低開(kāi)關(guān)頻率。

“碳化硅為 3.3 kV 和不久的 6.5 kV 設(shè)備提供了優(yōu)勢(shì),，”三菱功率設(shè)備總工程師 Eric Motto 說(shuō),。“更重要的是,，它們可以以比硅器件更高的頻率進(jìn)行切換,。

“我們今天在……地鐵應(yīng)用中看到了這一點(diǎn)。我們正在為該應(yīng)用量產(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了效率改進(jìn)，而且在動(dòng)力系統(tǒng)的其他組件中也使它們適用,，”Falsick 說(shuō),。

較高的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的低諧波可顯著提高電機(jī)效率，從而使 SiC 技術(shù)在高壓電源應(yīng)用中得到更廣泛的采用,。三菱電機(jī)認(rèn)為,，高壓直流傳輸正在推動(dòng)硅器件的極限，使 SiC 成為這些應(yīng)用更具吸引力的選擇,。

因此,，高達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦的節(jié)能可以抵消較高的設(shè)備成本。

SiC 器件,，尤其是在高壓下,，可提供更快、更高效的開(kāi)關(guān),?？紤]到傳導(dǎo)損耗，最好的硅 IGBT 的壓降限制在 1.2 伏左右,，即使在遠(yuǎn)低于其額定電流的情況下運(yùn)行也是如此,。碳化硅在低電流下幾乎沒(méi)有電壓降，具體取決于使用的芯片面積,。

三菱電機(jī)的發(fā)展路線圖實(shí)施優(yōu)化和新結(jié)構(gòu)以提高 SiC 性能,。“另一方面,，硅 IGBT 技術(shù)沒(méi)有太多需要改進(jìn)的地方,，我們已經(jīng)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了如此多的優(yōu)化,，以至于它已經(jīng)達(dá)到了硅的物理極限，”羅杰斯說(shuō),?！叭匀挥幸恍u進(jìn)式的改進(jìn)，特別是在可能的優(yōu)化方面,，但沒(méi)有什么能像我們用碳化硅實(shí)現(xiàn)的那樣引人注目,。”

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,。因此,，早期應(yīng)用必須通過(guò)提高效率來(lái)證明成本合理。

Sibik 表示,，該戰(zhàn)略的目標(biāo)是“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 來(lái)提高效率?！?“在未來(lái)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn),，Si IGBT 將完全過(guò)時(shí)——但未來(lái)有多遠(yuǎn)仍不清楚?！?/p>

肖特基二極管也有好處,。三菱電機(jī)生產(chǎn) 600 伏至 3.3 kV 的 SiC 肖特基二極管，用于需要大電流的牽引逆變器等大批量應(yīng)用,。DC-DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用也需要二極管,，這意味著 SiC 可以提供功率因數(shù)校正。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,，目標(biāo)是提供優(yōu)化性能成本比的下一代 SiC 器件,。三菱電機(jī)引用 IGBT 的數(shù)量和競(jìng)爭(zhēng)力，承認(rèn)成本優(yōu)化對(duì)于微調(diào)晶圓工藝階段以支持不斷增長(zhǎng)的產(chǎn)量至關(guān)重要,。

技術(shù)障礙之一是由碳化硅晶片制成的基板的質(zhì)量,。晶圓缺陷繼續(xù)阻礙產(chǎn)量,。這些缺陷會(huì)轉(zhuǎn)化為更高的 SiC 器件成本,，最終阻礙采用。

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