碳化硅功率器件在新能源汽车、光伏发电、轨道交通以及智能电网的应用

先说结论：由于碳化硅功率器件具有耐高压、耐高温、低损耗等优良特性，可以有效地满足电力电子系统高效率、小型化、轻量化的要求，所以它在新能源汽车、光伏发电、轨道交通以及智能电网这4个领域上都有着非常明显的优势。

01、新能源汽车领域

按照现有技术方案计算得出，目前每一辆新能源汽车所用功率器件的价值在700美元～1000美元左右。

在新能源汽车蓬勃发展的今天，人们对于功率器件的需求与日俱增，这也成为功率半导体器件的一个新增长点。

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。

碳化硅功率器件用于电机驱动系统中的逆变器，可显著减小电力电子系统体积、重量及成本，并增加功率密度。

特斯拉Model 3车型就使用了24个碳化硅MOSFET功率模块逆变器，这也是首家将全碳化硅功率器件集成到主逆变器上的汽车厂商；

碳化硅器件用于车载充电系统及电源转换系统可有效地减少开关损耗，提高极限工作温度，提高系统效率，目前世界上有20多家汽车厂商将碳化硅功率器件用于车载充电系统；

碳化硅器件在新能源汽车充电桩中的应用能够缩小充电桩的尺寸和提高充电速度。

02、光伏发电领域

在光伏发电的应用中，以硅基器件为基础的传统逆变器造价基本大约在系统造价的10%以上，但它是系统能量损耗最重要的来源之一。

采用碳化硅MOSFET或者碳化硅MOSFET+碳化硅SBD组合功率模块的光伏逆变器转换，效率可以由96%提高到99%以上，能量损耗减少50%以上，设备循环寿命提高50倍，因此可以减小系统体积，提高功率密度，延长设备使用寿命，降低生产成本。

高效，高功率密度，高可靠，低成本等特点是光伏逆变器未来发展的趋势。

在组串式与集中式光伏逆变器领域，碳化硅产品有望逐步取代硅基器件。

光伏逆变器碳化硅功率器件的比例预测：

数据来源：CASA

03、轨道交通领域

轨道交通车辆表现出多样化的发展态势，在运营状态方面可以划分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车等类型，而城市轨道车辆与高速列车构成了未来轨道交通发展的重要推动力。

功率半导体器件在轨道交通车辆上被大量采用，其中牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器和电源充电机等均需要采用碳化硅器件。

其中牵引变流器作为动车组大功率交流传动系统中的核心设备，在轨道交通牵引变流器中采用碳化硅器件可以大大地发挥碳化硅器件的高温、高频及低损耗特性，从而提高了牵引变流器设备效率，满足了轨道交通大容量、轻量化及节能型对牵引变流器设备应用要求，增强了系统整体效能。

在2012年含碳化硅SBD混合碳化硅功率模块就开始商用于东京地铁银座线37辆列车上，列车牵引系统节能效果显著提高、电动机能量损耗显著降低、冷却单元也小型化；

在2014年日本的小田急电铁新通勤车辆装备的三菱电机3300V/1500A全碳化硅功率模块逆变器，使得开关损耗下降55%，体积及重量下降65%、电能损耗下降20%~36%。

轨道交通碳化硅功率器件的比例预测：

数据来源：CASA

04、智能电网领域

与其他电力电子器件相比，电力系统需要更高的电压、更大的功率容量以及更高的可靠性。

碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率与高温度上的局限性，并带来高频率、高可靠性、高效率、低损耗的特殊优点。

在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电以及配电系统在应用中促进了智能电网发展与转型。

除此之外，碳化硅功率器件还已经在风力发电、工业电源以及航空航天等行业取得了成熟的应用。

参考资料：北京天科合达半导体股份有限公司首次公开发行股票上市招股说明书

编辑：黄飞