芯耀
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本文是按照2024年“第十八屆中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)半導(dǎo)體分立器件年會(huì)”演講稿整理
碳化硅為提升綠色能源鏈中的各種應(yīng)用提供了巨大潛力
IGBT在大功率電力電子行業(yè)的應(yīng)用是在20年前發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)年主要應(yīng)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(gè)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(yīng)用大戶(hù)。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(dǎo)體發(fā)展的成果，20年來(lái)功率半導(dǎo)體技術(shù)、產(chǎn)品和應(yīng)用都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)成幾十倍的增長(zhǎng)，而很多應(yīng)用是從無(wú)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(yù)測(cè)一下碳化硅的潛力有多大，碳化硅能夠改變什么。
先舉幾個(gè)例子，看看功率半導(dǎo)體的重要性：
光伏發(fā)電自大規(guī)模應(yīng)用起，就有很明確的追求目標(biāo)---效率至上，其結(jié)果是功率密度的提升，單機(jī)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(chǔ)能效率非常重要，整個(gè)儲(chǔ)能應(yīng)用過(guò)程需要經(jīng)過(guò)充電和放電的兩次功率變換，兩次損耗，采用碳化硅的儲(chǔ)能PCS可以減少50%的能量損耗，電池利用率提高。
電動(dòng)汽車(chē)是行走的儲(chǔ)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(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間縮短一半，可將電動(dòng)汽車(chē)主逆變器的系統(tǒng)尺寸縮小至80%，同時(shí)增加續(xù)航里程。
SiC MOSFET剛進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)候，行業(yè)普遍認(rèn)為在起步階段，主要目標(biāo)應(yīng)用是光伏發(fā)電，不間斷電源UPS，電動(dòng)汽車(chē)充電，機(jī)車(chē)牽引，再是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，預(yù)測(cè)也比較保守。
而今天我們已經(jīng)看到應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富，而有些應(yīng)用非碳化硅莫屬，如燃料電池的空壓機(jī)和高壓大功率的DCDC。
Yole的報(bào)告預(yù)測(cè)，SiC在2022-2027年的復(fù)合增長(zhǎng)率是CAGR (22-27)達(dá)到33%，拉動(dòng)增長(zhǎng)的主要應(yīng)用是電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)和OBC，高達(dá)38%-39%，電機(jī)驅(qū)動(dòng)43%，光伏發(fā)電18%，不算特別高，但要從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度來(lái)看，行業(yè)機(jī)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(jí)的提升，碳化硅功率器件的滲透率將不斷提高，預(yù)計(jì)2048年將達(dá)到85%的滲透率。
我們也看好燃料電池市場(chǎng)，燃料電池空壓機(jī)是采用30-40千瓦的12萬(wàn)轉(zhuǎn)高速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的調(diào)制頻率50kHz以上，這樣的應(yīng)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(lái)穩(wěn)壓，其功率要與主驅(qū)相當(dāng)。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(shuō)輸入電流75A或100A，輸出電壓660V甚至更高，開(kāi)關(guān)頻率80kHz水平，這也理所當(dāng)然使用SiC器件，其性能和功率密度與早年燃料電池國(guó)家項(xiàng)目中使用英飛凌第二代平面柵IGBT S4系列的設(shè)計(jì)是一個(gè)天一個(gè)地。
碳化硅將為許多應(yīng)用領(lǐng)域的各種系統(tǒng)帶來(lái)巨大價(jià)值
為什么用碳化硅大家或多或少有些體會(huì)，我這里舉幾個(gè)例子：
光伏逆變器的效率是系統(tǒng)最重要的指標(biāo)之一，是逆變器產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。由于英飛凌IGBT技術(shù)的進(jìn)步和SiC產(chǎn)品的加持，我們和客戶(hù)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(jìng)爭(zhēng)力是組串逆變器的單機(jī)功率，現(xiàn)在陽(yáng)光電源的組串單機(jī)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(lái)，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(dǎo)體器件技術(shù)和應(yīng)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(dòng)汽車(chē)快速充電站的效率提升2%，這可將充電時(shí)間縮短25%左右，此外，其節(jié)能效果非常顯著，如果為1800萬(wàn)輛汽車(chē)充電，每年就能節(jié)省1000GWh的電量，超過(guò)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(wàn)輛汽車(chē)充電。
由于應(yīng)用的需要，英飛凌碳化硅MOSFET有7個(gè)電壓等級(jí)，400V，650V，750V，1200V，1700V，2000V/2300V，3300V，產(chǎn)品是為應(yīng)用而生，所以應(yīng)用場(chǎng)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(jì)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(kāi)關(guān)相比，碳化硅MOSFET具有許多優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括低開(kāi)關(guān)損耗、內(nèi)部防換向體二極管的極低反向恢復(fù)損耗、與溫度無(wú)關(guān)的低開(kāi)關(guān)損耗以及無(wú)閾值導(dǎo)通特性。1200V CoolSiC? MOSFET產(chǎn)品主要應(yīng)用于光伏逆變器、電池充電、電動(dòng)汽車(chē)充電、工業(yè)驅(qū)動(dòng)、UPS、SMPS和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
400V SiC MOSFET是新的電壓等級(jí)，其性能更容易按照特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，是200-650V電壓之間高性能的MOSFET，目標(biāo)應(yīng)用為300V以下的兩電平功率變換和600V直流母線(xiàn)的T字型三電平電路。具體應(yīng)用為通信電源、光伏逆變器、儲(chǔ)能PCS、電動(dòng)飛機(jī)、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(yīng)用主要是開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)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(kuò)展了CoolSiC? MOSFET 650V G1產(chǎn)品系列，它特別針對(duì)固態(tài)斷路器、電動(dòng)汽車(chē)充電、太陽(yáng)能逆變器、服務(wù)器和人工智能PSU，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括CCM和TCM調(diào)制的圖騰柱、HERIC、有源中點(diǎn)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(chǔ)能中的反激式輔助電源，比用硅MOSFET實(shí)現(xiàn)，電路更簡(jiǎn)單，效率更高。參考：英飛凌1700V CoolSiC? MOSFET在光伏輔助電源上的應(yīng)用
2000V系列是為1500V光伏逆變器開(kāi)發(fā)的。實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)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(shí)現(xiàn)了更簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，減少了器件的數(shù)量，同時(shí)提高了功率密度，降低了1500 VDC應(yīng)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(jiǎng)，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(zhuān)門(mén)針對(duì)牽引應(yīng)用定制。該模塊不僅滿(mǎn)足牽引等應(yīng)用苛刻的運(yùn)行條件，而且可使列車(chē)電機(jī)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(chē)。這些特性對(duì)于未來(lái)的列車(chē)交通極其重要。
目前，你可以在英飛凌官網(wǎng)找到294個(gè)SiC MOSFET的型號(hào)（截止到2024年12月），電壓等級(jí)從400V到3300V，包括分立器件單管及各類(lèi)模塊，分立器件QDPAK TSC的半橋也即將發(fā)布。
