碳化硅對EV 應(yīng)用的性能提升超過了其應(yīng)用成本

電力電子仍然主要基于標(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 (SiC) 設(shè)計(jì)正在出現(xiàn)，以滿足電動(dòng)汽車不斷增長的高功率要求。

在采訪中，三菱電機(jī)美國公司的功率器件經(jīng)理強(qiáng)調(diào)了碳化硅與標(biāo)準(zhǔn)硅實(shí)現(xiàn)相比的前景。

他們表示，可以通過將硅與碳化硅相結(jié)合的混合技術(shù)來提高效率。例如，具有碳化硅肖特基勢壘二極管的硅基絕緣柵雙極晶體管 (IBGT) 以相對較小的成本增加實(shí)現(xiàn)了效率提高。對于許多應(yīng)用來說，這代表了成本和性能之間的折衷。

在不改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，三菱工程師斷言 SiC 是顯著提高效率的唯一方法之一。

昂貴的碳化硅

碳化硅仍然比硅貴得多。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)勢保持同步的應(yīng)用，以證明費(fèi)用合理。

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壥俏覀冊?RF 團(tuán)隊(duì)中擁有一些經(jīng)驗(yàn)的材料。我們認(rèn)為它在低功率應(yīng)用中肯定有非常有用的應(yīng)用，”三菱電機(jī)功率器件產(chǎn)品經(jīng)理 Adam Falcsik 說。

“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。因此，我們 [生產(chǎn)中] 的設(shè)備模塊額定電流高達(dá) 1200 A，額定電壓高達(dá) 3.3 kV，”Falcsik 補(bǔ)充道。

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(dòng)，從而減緩 SiC 的采用。

事實(shí)上，三菱工程師注意到客戶仍處于“觀望”模式。

“如果早期采用者成功地使用了這項(xiàng)技術(shù)，并提供了預(yù)期的好處，那么采用率將會大大增加。我認(rèn)為我們正在逐步通過那個(gè)階段，”三菱電機(jī)的功率設(shè)備應(yīng)用工程師 Mike Rogers 說。

需要更改設(shè)計(jì)以充分利用碳化硅，從而導(dǎo)致 PCB 大量返工。該公司補(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(dòng)汽車、存儲應(yīng)用

汽車應(yīng)用將從碳化硅技術(shù)中受益匪淺，尤其是電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)以及車載或充電站的電池充電。三菱電源設(shè)備經(jīng)理 Tony Sibik 表示，對于電動(dòng)汽車，“人們強(qiáng)烈希望減小電子設(shè)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?！?

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(dòng)力。該行業(yè)受益于向太陽能和風(fēng)能等可再生能源的轉(zhuǎn)變，在沒有陽光和風(fēng)的時(shí)候提供電力。

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。碳化硅是這些功率轉(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)可再生能源的存儲。

一個(gè)原因是 SiC 的介電強(qiáng)度是硅的 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，硅 IGBT 通常具有相對較慢的開關(guān)，隨著阻斷電壓的增加而進(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?！案匾氖牵鼈兛梢砸员裙杵骷叩念l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) 3.3 kV 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獲得了效率改進(jìn)，而且在動(dòng)力系統(tǒng)的其他組件中也使它們適用，”Falsick 說。

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(dòng)硅器件的極限，使 SiC 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)。考慮到傳導(dǎo)損耗，最好的硅 IGBT 的壓降限制在 1.2 伏左右，即使在遠(yuǎn)低于其額定電流的情況下運(yùn)行也是如此。碳化硅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?！傲硪环矫妫?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。“仍然有一些漸進(jìn)式的改進(jìn)，特別是在可能的優(yōu)化方面，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)碳化硅在一段時(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 表示，該戰(zhàn)略的目標(biāo)是“受益最大的應(yīng)用，認(rèn)識到當(dāng)今使用硅 IGBT 的任何應(yīng)用都可以使用碳化硅 MOSFET 來提高效率?！? “在未來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，Si IGBT 將完全過時(shí)——但未來有多遠(yuǎn)仍不清楚?！?

肖特基二極管也有好處。三菱電機(jī)生產(chǎn) 600 伏至 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批量應(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)化性能成本比的下一代 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)障礙之一是由碳化硅晶片制成的基板的質(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。