電力電子仍然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 (SiC) 設計正在出現(xiàn)，以滿足電動汽車不斷增長的高功率要求。

在采訪中，三菱電機美國公司的功率器件經(jīng)理強調(diào)了碳化硅與標準硅實現(xiàn)相比的前景。

他們表示，可以通過將硅與碳化硅相結合的混合技術來提高效率。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現(xiàn)了效率提高。對于許多應用來說，這代表了成本和性能之間的折衷。

在不改變拓撲結構的情況下，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)濟性與節(jié)能或其他一些技術優(yōu)勢保持同步的應用，以證明費用合理。

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壥俏覀冊?RF 團隊中擁有一些經(jīng)驗的材料。我們認為它在低功率應用中肯定有非常有用的應用，”三菱電機功率器件產(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，主要是因為它更適合更高功率的應用。因此，我們 [生產(chǎn)中] 的設備模塊額定電流高達 1200 A，額定電壓高達 3.3 kV，”Falcsik 補充道。

碳化硅技術被認為是未經(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，從而減緩 SiC 的采用。

事實上，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技術，并提供了預期的好處，那么采用率將會大大增加。我認為我們正在逐步通過那個階段，”三菱電機的功率設備應用工程師 Mike Rogers 說。

需要更改設計以充分利用碳化硅，從而導致 PCB 大量返工。該公司補充說，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

汽車應用將從碳化硅技術中受益匪淺，尤其是電動汽車傳動系統(tǒng)以及車載或充電站的電池充電。三菱電源設備經(jīng)理 Tony Sibik 表示，對于電動汽車，“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?！?/p>

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)受益于向太陽能和風能等可再生能源的轉(zhuǎn)變，在沒有陽光和風的時候提供電力。

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體。同時，寬帶隙 SiC 技術有望促進可再生能源的存儲。

一個原因是 SiC 的介電強度是硅的 10 倍，從而為構建在更高電壓下運行的設備提供了一個框架，同時滿足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，硅 IGBT 通常具有相對較慢的開關，隨著阻斷電壓的增加而進一步減慢。高壓范圍內(nèi)的 IGBT，例如 3.3 kV，速度非常慢，并且表現(xiàn)出高開關損耗，將它們限制在低開關頻率。

“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氖牵鼈兛梢砸员裙杵骷叩念l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) 3.3 kV 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獲得了效率改進，而且在動力系統(tǒng)的其他組件中也使它們適用，”Falsick 說。

較高的開關頻率帶來的低諧波可顯著提高電機效率，從而使 SiC 技術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 SiC 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?？紤]到傳導損耗，最好的硅 IGBT 的壓降限制在 1.2 伏左右，即使在遠低于其額定電流的情況下運行也是如此。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。

三菱電機的發(fā)展路線圖實施優(yōu)化和新結構以提高 SiC 性能。“另一方面，硅 IGBT 技術沒有太多需要改進的地方，我們已經(jīng)對該技術進行了如此多的優(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u進式的改進，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現(xiàn)的那樣引人注目。”

三菱電機預計碳化硅在一段時間內(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 表示，該戰(zhàn)略的目標是“受益最大的應用，認識到當今使用硅 IGBT 的任何應用都可以使用碳化硅 MOSFET 來提高效率。” “在未來的某個時間點，Si IGBT 將完全過時——但未來有多遠仍不清楚。”

肖特基二極管也有好處。三菱電機生產(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)化性能成本比的下一代 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)量至關重要。

技術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。

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