英飞凌碳化硅SiC技术创新的四大支柱综述（一）-电子发烧友网

本文是按照2024年“第十八届中国半导体行业协会半导体分立器件年会”演讲稿整理

碳化硅为提升绿色能源链中的各种应用

提供了巨大潜力

IGBT在大功率电力电子行业的应用是在20年前发展起来的，当年主要应用在工业电源、UPS和变频器等有限领域。但到了今天，整个电能生态链——新能源发电、输配电、电能质量改善等都成了IGBT的应用大户。而且，用电领域的范围还在拓展，如热泵、电解水制氢、低空飞行器等。

高能效的发电、输电和用电发展是电力电子技术发展和功率半导体发展的成果，20年来功率半导体技术、产品和应用都有了长足的进步。功率半导体的市场成几十倍的增长，而很多应用是从无到有，其发展速度是完全出乎规划。

今天继IGBT后，我们有了SiC MOSFET这一革命性的技术，也有了创新的产品，我们思考一下、预测一下碳化硅的潜力有多大，碳化硅能够改变什么。

先举几个例子，看看功率半导体的重要性：

光伏发电自大规模应用起，就有很明确的追求目标---效率至上，其结果是功率密度的提升，单机功率提高，使用碳化硅的组串逆变器在重量和尺寸不变的情况下，额定功率提高一倍。

电池储能效率非常重要，整个储能应用过程需要经过充电和放电的两次功率变换，两次损耗，采用碳化硅的储能PCS可以减少50%的能量损耗，电池利用率提高。

电动汽车是行走的储能系统，要自己背着电池和逆变器高速行走，岂不是效率更重要。

采用碳化硅可以将电动汽车的充电时间缩短一半，可将电动汽车主逆变器的系统尺寸缩小至80%，同时增加续航里程。

SiC MOSFET刚进入市场的时候，行业普遍认为在起步阶段，主要目标应用是光伏发电，不间断电源UPS，电动汽车充电，机车牵引，再是电机驱动，预测也比较保守。

而今天我们已经看到应用场景非常丰富，而有些应用非碳化硅莫属，如燃料电池的空压机和高压大功率的DCDC。

Yole的报告预测，SiC在2022-2027年的复合增长率是CAGR (22-27)达到33%，拉动增长的主要应用是电动汽车主驱和OBC，高达38%-39%，电机驱动43%，光伏发电18%，不算特别高，但要从更长的时间尺度来看，行业机构CASA Research数据显示，2020年碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率为10%，随着光伏电压等级的提升，碳化硅功率器件的渗透率将不断提高，预计2048年将达到85%的渗透率。

我们也看好燃料电池市场，燃料电池空压机是采用30-40千瓦的12万转高速电机，电机驱动器的调制频率50kHz以上，这样的应用，采用1200V高速器件碳化硅是最好的方案。燃料电池电堆的输出特性很软，需要DCDC变换器来稳压，其功率要与主驱相当。200千瓦的DCDC可以由8路25kW DCDC模块构成，或6路33kW DCDC模块构成。就是说输入电流75A或100A，输出电压660V甚至更高，开关频率80kHz水平，这也理所当然使用SiC器件，其性能和功率密度与早年燃料电池国家项目中使用英飞凌第二代平面栅IGBT S4系列的设计是一个天一个地。

碳化硅将为许多应用领域的各种系统

带来巨大价值

为什么用碳化硅大家或多或少有些体会，我这里举几个例子：

光伏逆变器的效率是系统最重要的指标之一，是逆变器产品的核心竞争力。由于英飞凌IGBT技术的进步和SiC产品的加持，我们和客户为光伏而创新，组串逆变器功率变换效率很接近天花板了，效率99%以上。

光伏逆变器的核心竞争力是组串逆变器的单机功率，现在阳光电源的组串单机额定功率做到了320千瓦，最大输出352千瓦，重量116千克，10年来，由于光伏系统走向1500V，功率变换电路的创新，和功率半导体器件技术和应用技术的创新，组串逆变器每千克输出功率翻了6倍。

与硅基产品相比，碳化硅可将电动汽车快速充电站的效率提升2%，这可将充电时间缩短25%左右，此外，其节能效果非常显著，如果为1800万辆汽车充电，每年就能节省1000GWh的电量，超过三峡的年发电量；换而言之，效率的提高，可以在不增加能源消耗的情况下，为另外36万辆汽车充电。

由于应用的需要，英飞凌碳化硅MOSFET有7个电压等级，400V，650V，750V，1200V，1700V，2000V/2300V，3300V，产品是为应用而生，所以应用场景很清晰。

碳化硅MOSFET的诞生，使得1200V以上有了单极性高速器件，为设计人员提供了新的自由度，能够利用前所未有的效率和系统灵活性。与IGBT和MOSFET等传统硅基开关相比，碳化硅MOSFET具有许多优势。这些优势包括低开关损耗、内部防换向体二极管的极低反向恢复损耗、与温度无关的低开关损耗以及无阈值导通特性。1200V CoolSiC MOSFET产品主要应用于光伏逆变器、电池充电、电动汽车充电、工业驱动、UPS、SMPS和储能等领域。

*即将发布 **即将发布

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400V SiC MOSFET是新的电压等级，其性能更容易按照特定应用进行优化，是200-650V电压之间高性能的MOSFET，目标应用为300V以下的两电平功率变换和600V直流母线的T字型三电平电路。具体应用为通信电源、光伏逆变器、储能PCS、电动飞机、固态断路器，甚至音频功放。

英飞凌650V SiC MOSFET的产品很丰富，650V的工业应用主要是开关电源，开关电源中的CCM Totem pole PFC，LLC，光伏中HERIC电路，I型NPC三电平中的快管和T型三电平NPC中的横管。

*即将发布

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英飞凌的CoolSiC MOSFET 750V扩展了CoolSiC MOSFET 650V G1产品系列，它特别针对固态断路器、电动汽车充电、太阳能逆变器、服务器和人工智能PSU，拓扑结构包括CCM和TCM调制的图腾柱、HERIC、有源中点钳位三电平(ANPC)、维也纳整流器、双有源桥(DAB)、移相全桥(PSFB)，LLC和CLLC。