EV 應(yīng)用中的性能提升超過了 SiC 成本

EV 應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)硅器件。雖然三電平和其他硅電路拓?fù)湔诔霈F(xiàn)以提高效率，但新的碳化硅設(shè)計(jì)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(jī)美國公司的功率器件經(jīng)理強(qiáng)調(diào)了 SiC 與標(biāo)準(zhǔn)硅實(shí)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(yīng)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?fù)浣Y(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(jì)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(yīng)用。三菱電機(jī)專注于大功率設(shè)備的 SiC，主要是因?yàn)樗鼈兪窃诟唠妷合鹿ぷ鞯拇怪苯M件?！暗壥且环N材料，我們在 RF 部門擁有一些經(jīng)驗(yàn)，”三菱電機(jī)功率器件產(chǎn)品經(jīng)理 Adam Falcsik 說?！岸椅覀冋J(rèn)為它在低功耗應(yīng)用中肯定有非常有用的應(yīng)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?yàn)樗m合更高功率的應(yīng)用，”他補(bǔ)充道?！耙虼耍覀?[生產(chǎn)中] 的設(shè)備模塊額定電流高達(dá) 1,200 A，額定電壓高達(dá) 3.3 kV?！?

碳化硅技術(shù)被認(rèn)為是未經(jīng)證實(shí)的，因此被傾向于保守的電力工程師認(rèn)為是有風(fēng)險(xiǎn)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(shí)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(xiàng)技術(shù)上取得成功，并帶來了預(yù)期的好處，那么采用率將會大大提高，我認(rèn)為我們正在逐步通過這一階段，”三菱電機(jī)的功率設(shè)備應(yīng)用工程師邁克·羅杰斯 (Mike Rogers) 說.

需要更改設(shè)計(jì)以充分利用 SiC，從而導(dǎo)致 PCB 大量返工。三菱工程師補(bǔ)充說，由此產(chǎn)生的設(shè)計(jì)必須能夠處理更高的工作頻率。

電動汽車、存儲應(yīng)用

汽車應(yīng)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(shè)備經(jīng)理 Tony 表示，“對于電動汽車來說，人們強(qiáng)烈希望減小電子設(shè)備的尺寸和重量”?！疤蓟栌兄谕ㄟ^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(bǔ)充道。

電力設(shè)施規(guī)模的儲能應(yīng)用是采用 SiC 的另一個(gè)潛在驅(qū)動力。該行業(yè)正受益于向太陽能和風(fēng)能等可再生能源的轉(zhuǎn)變，以便在沒有陽光和風(fēng)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(dǎo)體。同時(shí)，寬帶隙 SiC 技術(shù)有望促進(jìn)可再生能源存儲。

一個(gè)原因是 SiC 的介電強(qiáng)度是 Si 的 10 倍，從而為構(gòu)建在更高電壓下運(yùn)行的設(shè)備提供了一個(gè)框架，同時(shí)滿足了遠(yuǎn)程充電基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)應(yīng)用的現(xiàn)場要求。此外，更高的開關(guān)頻率允許設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)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(shè)備提供了優(yōu)勢，”三菱功率設(shè)備總工程師 Eric Motto 說。“更重要的是，它們可以以比硅器件更高的頻率進(jìn)行切換?！?

“我們今天在……地鐵應(yīng)用中看到了這一點(diǎn)；我們正在為該應(yīng)用量產(chǎn) 3.3kV 碳化硅器件。它們?nèi)匀皇窍喈?dāng)昂貴的設(shè)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(jìn)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(jī)效率，從而使 SiC 技術(shù)在高壓電源應(yīng)用中得到更廣泛的采用。三菱電機(jī)認(rèn)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(yīng)用更具吸引力的選擇。

因此，高達(dá)數(shù)萬瓦的節(jié)能可以抵消較高的設(shè)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(dǎo)損耗，即使在遠(yuǎn)低于其額定電流的情況下運(yùn)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(jī)的發(fā)展路線圖實(shí)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(jìn)的地方，我們已經(jīng)對該技術(shù)進(jìn)行了如此多的優(yōu)化，以至于它已經(jīng)達(dá)到了硅的物理極限，”羅杰斯說?！叭匀挥幸恍┰隽扛倪M(jìn)，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(shí)現(xiàn)的那樣引人注目。”

三菱電機(jī)預(yù)計(jì) SiC 在一段時(shí)間內(nèi)仍將比硅貴。因此，早期應(yīng)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(yīng)用，認(rèn)識到今天使用硅 IGBT 的任何應(yīng)用都可以使用碳化硅 MOSFET 來提高效率”?！霸谖磥淼哪硞€(gè)時(shí)候，硅 IGBT 將完全過時(shí)，但未來多遠(yuǎn)仍不清楚?！?

肖特基二極管也有好處。三菱電機(jī)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(yīng)用。DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(yuǎn)來看，目標(biāo)是提供優(yōu)化成本/性能比的下一代 SiC 器件。三菱電機(jī)引用 IGBT 的數(shù)量和競爭力，承認(rèn)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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