EV 應用中的性能提升超過了 SiC 成本

EV 應用中的性能提升超過了 SiC 成本

電力電子解決方案繼續(xù)主要基于標準硅器件。雖然三電平和其他硅電路拓撲正在出現(xiàn)以提高效率，但新的碳化硅設計正在出現(xiàn)，以滿足電動汽車不斷增長的高功率要求。

三菱電機美國公司的功率器件經(jīng)理強調(diào)了 SiC 與標準硅實現(xiàn)相比的前景。

他們表示，可以通過將硅與 SiC 相結(jié)合的混合技術(shù)來提高效率。例如，帶有 SiC 肖特基勢壘二極管的硅基絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 可以在成本增加相對較小的情況下提高效率。對于許多應用來說，這代表了成本和性能之間的折衷。

三菱工程師斷言，在不改變拓撲結(jié)構(gòu)的情況下，SiC 是顯著提高效率的極少數(shù)方法之一。

昂貴的碳化硅

SiC 仍然比硅貴得多。因此，重要的是要確定經(jīng)濟性與節(jié)能或其他一些技術(shù)優(yōu)勢保持同步以證明成本合理的應用。三菱電機專注于大功率設備的 SiC，主要是因為它們是在更高電壓下工作的垂直組件?！暗壥且环N材料，我們在 RF 部門擁有一些經(jīng)驗，”三菱電機功率器件產(chǎn)品經(jīng)理 Adam Falcsik 說?！岸椅覀冋J為它在低功耗應用中肯定有非常有用的應用。

“到目前為止，我們的功率器件開發(fā)主要集中在碳化硅上，主要是因為它更適合更高功率的應用，”他補充道?！耙虼耍覀?[生產(chǎn)中] 的設備模塊額定電流高達 1,200 A，額定電壓高達 3.3 kV?！?

碳化硅技術(shù)被認為是未經(jīng)證實的，因此被傾向于保守的電力工程師認為是有風險的。許多人寧愿等待性能可靠的證據(jù)再采取行動——這種偏好和做法可能會減緩 SiC 的采用速度。

事實上，三菱工程師指出，客戶仍處于觀望狀態(tài)?！叭绻缙诓捎谜咴谶@項技術(shù)上取得成功，并帶來了預期的好處，那么采用率將會大大提高，我認為我們正在逐步通過這一階段，”三菱電機的功率設備應用工程師邁克·羅杰斯 (Mike Rogers) 說.

需要更改設計以充分利用 SiC，從而導致 PCB 大量返工。三菱工程師補充說，由此產(chǎn)生的設計必須能夠處理更高的工作頻率。

電動汽車、存儲應用

汽車應用將從 SiC 技術(shù)中受益匪淺，特別是對于 EV 動力傳動系統(tǒng)以及車載或充電站的電池充電。

三菱功率設備經(jīng)理 Tony 表示，“對于電動汽車來說，人們強烈希望減小電子設備的尺寸和重量”。“碳化硅有助于通過縮小逆變器尺寸[和]提高效率，從而減少給定范圍所需的電池尺寸，”他補充道。

電力設施規(guī)模的儲能應用是采用 SiC 的另一個潛在驅(qū)動力。該行業(yè)正受益于向太陽能和風能等可再生能源的轉(zhuǎn)變，以便在沒有陽光和風的情況下提供電力。

在高峰需求期間提供電力需要足夠的容量來存儲能量，因此需要更多的轉(zhuǎn)換器和逆變器。碳化硅是那些功率轉(zhuǎn)換步驟的有希望的候選者。

隨著越來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體。同時，寬帶隙 SiC 技術(shù)有望促進可再生能源存儲。

一個原因是 SiC 的介電強度是 Si 的 10 倍，從而為構(gòu)建在更高電壓下運行的設備提供了一個框架，同時滿足了遠程充電基礎設施和智能電網(wǎng)應用的現(xiàn)場要求。此外，更高的開關(guān)頻率允許設計人員減小磁體、電感器和其他濾波器組件（包括變壓器）的物理尺寸。

三菱電機工程師指出，Si IGBT 通常具有相對較慢的開關(guān)速度，隨著阻斷電壓的增加，開關(guān)速度進一步減慢。高壓范圍內(nèi)的 IGBT，例如 3.3 kV，速度非常慢，并且表現(xiàn)出高開關(guān)損耗，將它們限制在低開關(guān)頻率。

“碳化硅為 3.3 kV 和不久的 6.5 kV 設備提供了優(yōu)勢，”三菱功率設備總工程師 Eric Motto 說?！案匾氖?，它們可以以比硅器件更高的頻率進行切換。”

“我們今天在……地鐵應用中看到了這一點；我們正在為該應用量產(chǎn) 3.3kV 碳化硅器件。它們?nèi)匀皇窍喈敯嘿F的設備，但它們不僅在逆變器中而且在動力系統(tǒng)的其他組件中獲得的效率改進使它們適用?！?

較高的開關(guān)頻率帶來的低諧波可顯著提高電機效率，從而使 SiC 技術(shù)在高壓電源應用中得到更廣泛的采用。三菱電機認為，高壓直流傳輸正在推動硅器件的極限，使碳化硅成為這些應用更具吸引力的選擇。

因此，高達數(shù)萬瓦的節(jié)能可以抵消較高的設備成本。SiC 器件，尤其是在高壓下，可提供更快、更高效的開關(guān)?？紤]到傳導損耗，即使在遠低于其額定電流的情況下運行，最好的 Si IGBT 也被限制在大約 1.2V 的壓降。SiC 在低電流下幾乎沒有電壓降，具體取決于使用的芯片面積。

三菱電機的發(fā)展路線圖實施優(yōu)化和新結(jié)構(gòu)以提高 SiC 性能。

“另一方面，硅 IGBT 技術(shù)沒有太多需要改進的地方，我們已經(jīng)對該技術(shù)進行了如此多的優(yōu)化，以至于它已經(jīng)達到了硅的物理極限，”羅杰斯說?！叭匀挥幸恍┰隽扛倪M，特別是在優(yōu)化方面，這是可能的，但沒有什么能像我們用碳化硅實現(xiàn)的那樣引人注目?！?

三菱電機預計 SiC 在一段時間內(nèi)仍將比硅貴。因此，早期應用必須通過提高效率來證明成本合理。

Sibik 說，該戰(zhàn)略針對“受益最大的應用，認識到今天使用硅 IGBT 的任何應用都可以使用碳化硅 MOSFET 來提高效率”?！霸谖磥淼哪硞€時候，硅 IGBT 將完全過時，但未來多遠仍不清楚?！?

肖特基二極管也有好處。三菱電機生產(chǎn) 600 V 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容量應用。DC/DC 轉(zhuǎn)換器應用也需要二極管，這意味著 SiC 可以提供功率因數(shù)校正。從長遠來看，目標是提供優(yōu)化成本/性能比的下一代 SiC 器件。三菱電機引用 IGBT 的數(shù)量和競爭力，承認成本優(yōu)化對于微調(diào)晶圓工藝階段以支持不斷增長的產(chǎn)量至關(guān)重要。

技術(shù)障礙之一是由 SiC 晶圓制成的基板的質(zhì)量。晶圓缺陷繼續(xù)阻礙產(chǎn)量。

這些缺陷會轉(zhuǎn)化為更高的 SiC 器件成本，最終阻礙采用。

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