碳化硅对EV 应用的性能提升超过了其应用成本

电力电子仍然主要基于标准硅器件。虽然三电平和其他硅电路拓扑正在出现以提高效率，但新的碳化硅 (SiC) 设计正在出现，以满足电动汽车不断增长的高功率要求。

在采访中，三菱电机美国公司的功率器件经理强调了碳化硅与标准硅实现相比的前景。

他们表示，可以通过将硅与碳化硅相结合的混合技术来提高效率。例如，具有碳化硅肖特基势垒二极管的硅基绝缘栅双极晶体管 (IBGT) 以相对较小的成本增加实现了效率提高。对于许多应用来说，这代表了成本和性能之间的折衷。

在不改变拓扑结构的情况下，三菱工程师断言 SiC 是显着提高效率的唯一方法之一。

昂贵的碳化硅

碳化硅仍然比硅贵得多。因此，重要的是要确定经济性与节能或其他一些技术优势保持同步的应用，以证明费用合理。

三菱电机专注于大功率设备的 SiC，主要是因为它们是在更高电压下工作的垂直组件。“氮化镓是我们在 RF 团队中拥有一些经验的材料。我们认为它在低功率应用中肯定有非常有用的应用，”三菱电机功率器件产品经理 Adam Falcsik 说。

“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 [生产中] 的设备模块额定电流高达 1200 A，额定电压高达 3.3 kV，”Falcsik 补充道。

碳化硅技术被认为是未经证实的，因此被倾向于保守的电力工程师认为是有风险的。许多人宁愿等待性能可靠的证据再采取行动，从而减缓 SiC 的采用。

事实上，三菱工程师注意到客户仍处于“观望”模式。

“如果早期采用者成功地使用了这项技术，并提供了预期的好处，那么采用率将会大大增加。我认为我们正在逐步通过那个阶段，”三菱电机的功率设备应用工程师 Mike Rogers 说。

需要更改设计以充分利用碳化硅，从而导致 PCB 大量返工。该公司补充说，由此产生的设计必须能够处理更高的工作频率。

电动汽车、存储应用

汽车应用将从碳化硅技术中受益匪浅，尤其是电动汽车传动系统以及车载或充电站的电池充电。三菱电源设备经理 Tony Sibik 表示，对于电动汽车，“人们强烈希望减小电子设备的尺寸和重量”。

“碳化硅有助于通过缩小逆变器尺寸[和]提高效率，从而减少给定范围所需的电池尺寸。”

电力设施规模的储能应用是采用 SiC 的另一个潜在驱动力。该行业受益于向太阳能和风能等可再生能源的转变，在没有阳光和风的时候提供电力。

在高峰需求期间提供电力需要足够的容量来存储能量，因此需要更多的转换器和逆变器。碳化硅是这些功率转换步骤的有希望的候选者。

随着越来越多的替代能源上线，潮流需要特别注意，包括有源滤波和谐波校正。所有这些都需要功率半导体。同时，宽带隙 SiC 技术有望促进可再生能源的存储。

一个原因是 SiC 的介电强度是硅的 10 倍，从而为构建在更高电压下运行的设备提供了一个框架，同时满足远程充电基础设施和智能电网应用的现场要求。此外，更高的开关频率允许设计人员减小磁体、电感器和其他滤波器组件(包括变压器)的物理尺寸。

三菱电机工程师指出，硅 IGBT 通常具有相对较慢的开关，随着阻断电压的增加而进一步减慢。高压范围内的 IGBT，例如 3.3 kV，速度非常慢，并且表现出高开关损耗，将它们限制在低开关频率。

“碳化硅为 3.3 kV 和不久的 6.5 kV 设备提供了优势，”三菱功率设备总工程师 Eric Motto 说。“更重要的是，它们可以以比硅器件更高的频率进行切换。

“我们今天在……地铁应用中看到了这一点。我们正在为该应用量产 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了效率改进，而且在动力系统的其他组件中也使它们适用，”Falsick 说。

较高的开关频率带来的低谐波可显着提高电机效率，从而使 SiC 技术在高压电源应用中得到更广泛的采用。三菱电机认为，高压直流传输正在推动硅器件的极限，使 SiC 成为这些应用更具吸引力的选择。

因此，高达数万瓦的节能可以抵消较高的设备成本。

SiC 器件，尤其是在高压下，可提供更快、更高效的开关。考虑到传导损耗，最好的硅 IGBT 的压降限制在 1.2 伏左右，即使在远低于其额定电流的情况下运行也是如此。碳化硅在低电流下几乎没有电压降，具体取决于使用的芯片面积。

三菱电机的发展路线图实施优化和新结构以提高 SiC 性能。“另一方面，硅 IGBT 技术没有太多需要改进的地方，我们已经对该技术进行了如此多的优化，以至于它已经达到了硅的物理极限，”罗杰斯说。“仍然有一些渐进式的改进，特别是在可能的优化方面，但没有什么能像我们用碳化硅实现的那样引人注目。”

三菱电机预计碳化硅在一段时间内仍将比硅贵。因此，早期应用必须通过提高效率来证明成本合理。

Sibik 表示，该战略的目标是“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 来提高效率。” “在未来的某个时间点，Si IGBT 将完全过时——但未来有多远仍不清楚。”

肖特基二极管也有好处。三菱电机生产 600 伏至 3.3 kV 的 SiC 肖特基二极管，用于需要大电流的牵引逆变器等大批量应用。DC-DC 转换器应用也需要二极管，这意味着 SiC 可以提供功率因数校正。

从长远来看，目标是提供优化性能成本比的下一代 SiC 器件。三菱电机引用 IGBT 的数量和竞争力，承认成本优化对于微调晶圆工艺阶段以支持不断增长的产量至关重要。

技术障碍之一是由碳化硅晶片制成的基板的质量。晶圆缺陷继续阻碍产量。这些缺陷会转化为更高的 SiC 器件成本，最终阻碍采用。