是时候从Si切换到SiC了吗？

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作者：Uwe Jansen

翻译：陈子颖

在过去的几年里，碳化硅(SiC)开关器件，特别是SiC MOSFET，已经从一个研究课题演变成一个重要的商业化产品。最初是在光伏（PV）逆变器和电池电动车（BEV）驱动系统中采用，但现在，越来越多的应用正在被解锁。在使用电力电子器件的设备和系统设计中都必须评估SiC在系统中可能的潜力，以及利用这一潜力的最佳策略是什么。那么，你从哪里开始呢？

工程师老前辈可能还记得双极晶体管在SMPS中被MOSFET取代的速度有多快，或者IGBT模块将双极达林顿晶体管模块踢出逆变器的速度有多快。

电力电子的驱动力一直是降低损耗、小型化和提高可靠性。预计这将继续下去。那么，是否有必要匆匆忙忙地将每个设计尽快从硅（Si）转换到SiC？IGBT是否会像几十年前的双极达林顿一样完全从市场上消失？

今天的电力电子应用比80年代和90年代的应用更加多样化，功率半导体的市场也更大。因此，从Si到SiC的有序的部分替代比所有应用的颠覆性改变更现实。然而，这在具体的应用中取决于SiC为该应用提供的价值。

SiC如何为电力电子设计提供价值？

在使用电感器或变压器的功率变换系统中，SiC可以提高开关频率，从而使电感元件更小、更轻，并最终降低成本，这是SiC MOSFET进入光伏逆变器的重要原因。几年前，SiC MOSFET开始应用在ANPC拓扑结构中，是1500V光伏系统很好的设计方案。这种拓扑结构提高了开关频率，其中只有三分之一的功率器件采用了SiC MOSFET，系统性价比高。

但并非所有的应用都能从提高开关频率中受益。在通用变频器（GPD）应用中，由于没有电感元件可以从更高的开关频率中受益。即使在今天使用的不太高的调制频率下，电机电流也已经是几乎完美正弦的了。但是，SiC也可以用来减少导通损耗。与IGBT和二极管不一样，只要应用通常的PWM模式下，SiC MOSFET在两个方向都具有“无拐点电压”的特性。因此，如果使用足够大的芯片面积，就可以实现导通损耗的大幅降低。这使得设计集成在电机中的驱动器成为可能。它可以集成到密封的机箱内，并采用自然冷却。此外，长时间内工作在轻载的应用，可以利用“无拐点电压”的特点来降低能耗和总拥有成本（TCO）。

如果体二极管可以用作续流二极管，如英飞凌CoolSiC MOSFET，这将提供另一个对某些驱动器很重要的好处。无论功率流方向如何，功率耗散将始终在同一个芯片中，从而大大减少与功率循环有关的温度波动。

图1：体二极管的同步整流

有时，更高的温度运行被宣称为SiC的一个好处。在需要在高温环境下散热的应用中，这将是一个重要的特性，但前提是封装和其他系统元件也要适合这种环境。

总结一下：

当一个应用可以从Si到SiC的切换中受益时，以正确的策略进行切换是很重要的。但是简单粗暴的切换可能无法充分利用新的半导体材料的潜力，即使它的工作没有问题。应该考虑尽量减少直流母线连接和栅极驱动器上的杂散电感，而且在大多数情况下，保护方案也需要调整。由于这需要时间，开发项目应尽早开始，即使目前SiC的供应情况看起来很紧张。