用于电动汽车下一个高压应用的碳化硅

目前，标准硅器件仍占电力电子市场的大部分。虽然许多公司正在开发新的电路拓扑以提高硅器件的效率，尤其是三电平拓扑，但新的碳化硅解决方案正在作为一种新的半导体元件出现，以应对不久的将来的高功率挑战。在接受《电力电子新闻》采访时，Adam Falcsik – 功率器件产品经理，Mike Rogers – 应用工程师，功率器件，Eric Motto – 功率器件总工程师，MEUS-SDD 和 Tony Sibik – 副总裁兼 GDM，功率器件，所有与三菱电机美国公司相比，都强调了碳化硅的重要性以及该技术与硅解决方案相比的机会。

将硅与碳化硅相结合的混合技术可以提高效率；特别是，带有碳化硅肖特基势垒二极管的硅 IGBT 以相对较小的成本增加实现了效率提高。因此，对于许多应用程序，这可能是成本和性能之间的一个很好的折衷方案。在不改变拓扑结构的情况下，三菱电机指出，显着提高效率的唯一方法是使用碳化硅。

碳化硅 (SiC)

碳化硅比硅贵得多。因此，重要的是要针对经济性与节能或其他一些技术优势保持同步的应用，以便碳化硅成本合理。

三菱电机一直专注于用于高功率设备的碳化硅，主要是因为它们是垂直设备，可以提供更高的功率。“氮化镓是一种材料，我们在我们的 RF 团队中拥有一些经验。我们认为它在低功耗应用中肯定有非常有用的应用。但到目前为止，我们的功率器件开发主要集中在碳化硅上，主要是因为它更适合更高功率的应用。因此，我们拥有额定电流高达 1200 A 的设备模块，并且我们在商业生产中的额定电压高达 3.3 kV，”三菱说。 

SiC 的主要障碍之一是它通常被视为一项新技术。许多在高功率领域进行设计的工程师非常保守，因此在建立可靠的性能记录之前会减慢采用速度。三菱电机表示，许多客户仍处于“观望”模式。“如果早期采用者成功使用这项技术，提供所需的好处，将会有更多的采用。我认为我们正在逐步度过那个阶段。”

为了充分利用碳化硅，设计人员必须对其设计进行一些更改，从而对 PCB 进行重大更改。然后提供可靠的设计来处理特别高的工作频率是至关重要的。  

汽车应用是一些受益于碳化硅技术的应用。它特别适用于主推进和车载充电器和电池充电站。三菱电机表示：“在电动汽车中，人们强烈希望减小电子设备的尺寸和重量。碳化硅通过缩小逆变器尺寸和提高效率来帮助实现这一目标，从而减少给定范围所需的电池尺寸。”

公用事业规模的存储解决方案是讨论采用 SiC 时的另一个主题。这是一个不断增长的行业，特别是考虑到向光伏等可再生能源的转变，这些能源需要在没有阳光照射的情况下通过储能来提供电力。这需要一定的容量来存储能量，因此需要更多的转换器和逆变器。碳化硅是这些功率转换级的绝佳候选者。  

随着越来越多的替代能源，电力流动需要特别关注。这需要有源滤波和有源谐波校正。所有这些应用最终都涉及到功率半导体。

图 1：三菱电机 3.3kV SiC 双模块，提供 325A 和 750A 额定值。

图 2：带有实时控制 (RTC) 的三菱电机 SiC，提供各种额定电流和电压，请访问我们的网站或联系您当地的销售代表。

智能电网、电动汽车和晶圆

风能和太阳能等基本可再生能源解决方案通常与储能相结合，是该行业增长最快的领域之一，而宽带隙 SiC 技术是这些解决方案的核心。可再生能源继续在世界发电组合中占据主导地位。

碳化硅的介电强度是硅的 10 倍，因此可以构建在更高电压下运行的设备并满足充电基础设施和智能电网领域的要求。在更高的开关频率下工作仍然提供多种好处，在这个领域，碳化硅使其适用。更高的开关频率允许设计人员减小磁铁、作为滤波器一部分的电感器或变压器本身的物理尺寸，当使用高频时，它们可以更小。因此，这是 SiC 的关键方面。

三菱电机强调了硅 IGBT 通常具有相对较慢的开关速度。随着阻塞电压的升高，这种缓慢会变得更糟。因此，高压范围内的 IGBT，例如 3.3 kV，速度非常慢，并且具有高开关损耗。因此，它们只能用于低开关频率。

“因此，碳化硅为 3.3 kV 和不久的 6.5 kV 设备提供了优势。更重要的是，它们可以以比硅器件高得多的频率进行开关。我们今天在机车中看到了这一点，例如地铁应用。我们正在为该应用批量生产 3.3 kV 碳化硅器件。它们仍然是相当昂贵的设备，但它们不仅在逆变器中获得的效率提高，而且在动力系统的其他组件中也使它们适用。”

由于较高的开关频率而产生的低谐波可以显着提高电机效率。这使得在高压电源应用中采用碳化硅成为可能。三菱电机表示，高压直流输电将在不久的将来突破高压硅器件的极限。这些应用使用碳化硅可能会更有效。而且，在这些应用中，我们所说的节能不是几瓦，而是数千瓦，甚至数万瓦。这样就抵消了成本，证明了显着的节能是合理的。

碳化硅器件，特别是在高压下，是一个重要的技术关键；你有更快和更有效的切换。考虑到传导损耗，最好的硅 IGBT 被限制在大约 1.2 伏的压降，即使您在远低于其额定电流的情况下工作。但是，碳化硅在低电流下几乎没有电压降，具体取决于您使用的芯片面积。

三菱电机表示，路线图上有几代发展，实施优化和新结构以提高碳化硅性能。“另一方面，硅 IGBT 技术没有太多需要改进的地方，我们对该技术进行了如此多的优化，以至于它与硅的物理极限相抗衡。现在，仍然有一些渐进式改进，特别是在可能的优化方面，但没有像碳化硅那样引人注目。” 三菱电机预计碳化硅在一段时间内仍将比硅贵。

他们瞄准的第一个应用程序是那些他们确定证明成本合理的效率数量的应用程序。“我们今天的战略是瞄准受益最大的应用，认识到当今使用硅 IGBT 的任何应用都可以使用碳化硅 MOSFET 更高效；相当可信的是，在未来的某个时候，Si IGBT 将完全过时，但未来多远仍不清楚”

在 SiC 领域，我们还发现肖特基二极管是一种具有优势的元件。三菱电机生产 600 伏至 3.3 kV 的碳化硅肖特基二极管，用于需要大量电流的批量生产应用，例如牵引逆变器。还有一些需要二极管的 DC 到 DC 转换器应用。因此，在 DC 到 DC 转换器应用中，碳化硅对于功率因数校正非常有利。

目标是提供下一代 SiC 器件以优化性能价格比。由于 IGBT 的体积和竞争力，三菱电机指出，仍然需要优化成本，优化晶圆工艺阶段以支持不断增长的产量至关重要。最大的两个障碍仍然是原始碳化硅晶片的时间和质量，它们的晶体结构仍然经常存在缺陷，从而对产量产生负面影响。特别是它直接转化为设备的成本，而成本始终是采用任何新技术的关键驱动因素。

审核编辑 黄昊宇