芯耀
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本文是按照2024年“第十八屆中國半導體行業(yè)協(xié)會半導體分立器件年會”演講稿整理
碳化硅為提升綠色能源鏈中的各種應用提供了巨大潛力
IGBT在大功率電力電子行業(yè)的應用是在20年前發(fā)展起來的，當年主要應用在工業(yè)電源、UPS和變頻器等有限領(lǐng)域。但到了今天，整個電能生態(tài)鏈——新能源發(fā)電、輸配電、電能質(zhì)量改善等都成了IGBT的應用大戶。而且，用電領(lǐng)域的范圍還在拓展，如熱泵、電解水制氫、低空飛行器等。
高能效的發(fā)電、輸電和用電發(fā)展是電力電子技術(shù)發(fā)展和功率半導體發(fā)展的成果，20年來功率半導體技術(shù)、產(chǎn)品和應用都有了長足的進步。功率半導體的市場成幾十倍的增長，而很多應用是從無到有，其發(fā)展速度是完全出乎規(guī)劃。
今天繼IGBT后，我們有了SiC MOSFET這一革命性的技術(shù)，也有了創(chuàng)新的產(chǎn)品，我們思考一下、預測一下碳化硅的潛力有多大，碳化硅能夠改變什么。
先舉幾個例子，看看功率半導體的重要性：
光伏發(fā)電自大規(guī)模應用起，就有很明確的追求目標---效率至上，其結(jié)果是功率密度的提升，單機功率提高，使用碳化硅的組串逆變器在重量和尺寸不變的情況下，額定功率提高一倍。
電池儲能效率非常重要，整個儲能應用過程需要經(jīng)過充電和放電的兩次功率變換，兩次損耗，采用碳化硅的儲能PCS可以減少50%的能量損耗，電池利用率提高。
電動汽車是行走的儲能系統(tǒng)，要自己背著電池和逆變器高速行走，豈不是效率更重要。
采用碳化硅可以將電動汽車的充電時間縮短一半，可將電動汽車主逆變器的系統(tǒng)尺寸縮小至80%，同時增加續(xù)航里程。
SiC MOSFET剛進入市場的時候，行業(yè)普遍認為在起步階段，主要目標應用是光伏發(fā)電，不間斷電源UPS，電動汽車充電，機車牽引，再是電機驅(qū)動，預測也比較保守。
而今天我們已經(jīng)看到應用場景非常豐富，而有些應用非碳化硅莫屬，如燃料電池的空壓機和高壓大功率的DCDC。
Yole的報告預測，SiC在2022-2027年的復合增長率是CAGR (22-27)達到33%，拉動增長的主要應用是電動汽車主驅(qū)和OBC，高達38%-39%，電機驅(qū)動43%，光伏發(fā)電18%，不算特別高，但要從更長的時間尺度來看，行業(yè)機構(gòu)CASA Research數(shù)據(jù)顯示，2020年碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率為10%，隨著光伏電壓等級的提升，碳化硅功率器件的滲透率將不斷提高，預計2048年將達到85%的滲透率。
我們也看好燃料電池市場，燃料電池空壓機是采用30-40千瓦的12萬轉(zhuǎn)高速電機，電機驅(qū)動器的調(diào)制頻率50kHz以上，這樣的應用，采用1200V高速器件碳化硅是最好的方案。燃料電池電堆的輸出特性很軟，需要DCDC變換器來穩(wěn)壓，其功率要與主驅(qū)相當。200千瓦的DCDC可以由8路25kW DCDC模塊構(gòu)成，或6路33kW DCDC模塊構(gòu)成。就是說輸入電流75A或100A，輸出電壓660V甚至更高，開關(guān)頻率80kHz水平，這也理所當然使用SiC器件，其性能和功率密度與早年燃料電池國家項目中使用英飛凌第二代平面柵IGBT S4系列的設(shè)計是一個天一個地。
碳化硅將為許多應用領(lǐng)域的各種系統(tǒng)帶來巨大價值
為什么用碳化硅大家或多或少有些體會，我這里舉幾個例子：
光伏逆變器的效率是系統(tǒng)最重要的指標之一，是逆變器產(chǎn)品的核心競爭力。由于英飛凌IGBT技術(shù)的進步和SiC產(chǎn)品的加持，我們和客戶為光伏而創(chuàng)新，組串逆變器功率變換效率很接近天花板了，效率99%以上。
光伏逆變器的核心競爭力是組串逆變器的單機功率，現(xiàn)在陽光電源的組串單機額定功率做到了320千瓦，最大輸出352千瓦，重量116千克，10年來，由于光伏系統(tǒng)走向1500V，功率變換電路的創(chuàng)新，和功率半導體器件技術(shù)和應用技術(shù)的創(chuàng)新，組串逆變器每千克輸出功率翻了6倍。
與硅基產(chǎn)品相比，碳化硅可將電動汽車快速充電站的效率提升2%，這可將充電時間縮短25%左右，此外，其節(jié)能效果非常顯著，如果為1800萬輛汽車充電，每年就能節(jié)省1000GWh的電量，超過三峽的年發(fā)電量；換而言之，效率的提高，可以在不增加能源消耗的情況下，為另外36萬輛汽車充電。
由于應用的需要，英飛凌碳化硅MOSFET有7個電壓等級，400V，650V，750V，1200V，1700V，2000V/2300V，3300V，產(chǎn)品是為應用而生，所以應用場景很清晰。
碳化硅MOSFET的誕生，使得1200V以上有了單極性高速器件，為設(shè)計人員提供了新的自由度，能夠利用前所未有的效率和系統(tǒng)靈活性。與IGBT和MOSFET等傳統(tǒng)硅基開關(guān)相比，碳化硅MOSFET具有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括低開關(guān)損耗、內(nèi)部防換向體二極管的極低反向恢復損耗、與溫度無關(guān)的低開關(guān)損耗以及無閾值導通特性。1200V CoolSiC? MOSFET產(chǎn)品主要應用于光伏逆變器、電池充電、電動汽車充電、工業(yè)驅(qū)動、UPS、SMPS和儲能等領(lǐng)域。
400V SiC MOSFET是新的電壓等級，其性能更容易按照特定應用進行優(yōu)化，是200-650V電壓之間高性能的MOSFET，目標應用為300V以下的兩電平功率變換和600V直流母線的T字型三電平電路。具體應用為通信電源、光伏逆變器、儲能PCS、電動飛機、固態(tài)斷路器，甚至音頻功放。
英飛凌650V SiC MOSFET的產(chǎn)品很豐富，650V的工業(yè)應用主要是開關(guān)電源，開關(guān)電源中的CCM Totem pole PFC，LLC，光伏中HERIC電路，I型NPC三電平中的快管和T型三電平NPC中的橫管。
英飛凌的CoolSiC? MOSFET 750V擴展了CoolSiC? MOSFET 650V G1產(chǎn)品系列，它特別針對固態(tài)斷路器、電動汽車充電、太陽能逆變器、服務器和人工智能PSU，拓撲結(jié)構(gòu)包括CCM和TCM調(diào)制的圖騰柱、HERIC、有源中點鉗位三電平(ANPC)、維也納整流器、雙有源橋(DAB)、移相全橋(PSFB)，LLC和CLLC。
英飛凌1700V SiC MOSFET主要用于380Vac供電的工業(yè)系統(tǒng)和光伏儲能中的反激式輔助電源，比用硅MOSFET實現(xiàn)，電路更簡單，效率更高。參考：英飛凌1700V CoolSiC? MOSFET在光伏輔助電源上的應用
2000V系列是為1500V光伏逆變器開發(fā)的。實際應用中，通過使用該系列產(chǎn)品，兩電平可以取代三電平的結(jié)構(gòu)，在輕載下，Boost升壓效率提高了1%，而在所有工作條件下，升壓效率平均提高了0.5%。它實現(xiàn)了更簡單的電路結(jié)構(gòu)，減少了器件的數(shù)量，同時提高了功率密度，降低了1500 VDC應用的總系統(tǒng)成本。參考：英飛凌再次榮膺2024年全球電子成就獎，CoolSiC? MOSFET 2000V功率器件和模塊備受矚目
2023年英飛凌推出3300V XHP2 CoolSiC? MOSFET功率模塊，專門針對牽引應用定制。該模塊不僅滿足牽引等應用苛刻的運行條件，而且可使列車電機和變頻器的總能耗降低10%，有助于打造更環(huán)保、更安靜的列車。這些特性對于未來的列車交通極其重要。
目前，你可以在英飛凌官網(wǎng)找到294個SiC MOSFET的型號（截止到2024年12月），電壓等級從400V到3300V，包括分立器件單管及各類模塊，分立器件QDPAK TSC的半橋也即將發(fā)布。
