是时候从Si切换到SiC了吗?

05/24/2023 Asia Knowledge Suppliers

在过去的几年里,碳化硅(SiC)开关器件,特别是SiC MOSFET,已经从一个研究课题演变成一个重要的商业化产品。最初是在光伏(PV)逆变器和电池电动车(BEV)驱动系统中采用,但现在,越来越多的应用正在被解锁。在使用电力电子器件的设备和系统设计中都必须评估SiC在系统中可能的潜力,以及利用这一潜力的最佳策略是什么。那么,你从哪里开始呢?

工程师老前辈可能还记得双极晶体管在SMPS中被MOSFET取代的速度有多快,或者IGBT模块将双极达林顿晶体管模块踢出逆变器的速度有多快。

 

电力电子的驱动力一直是降低损耗、小型化和提高可靠性。预计这将继续下去。那么,是否有必要匆匆忙忙地将每个设计尽快从硅(Si)转换到SiC?IGBT是否会像几十年前的双极达林顿一样完全从市场上消失?

 

今天的电力电子应用比80年代和90年代的应用更加多样化,功率半导体的市场也更大。因此,从Si到SiC的有序的部分替代比所有应用的颠覆性改变更现实。然而,这在具体的应用中取决于SiC为该应用提供的价值。

 

SiC如何为电力电子设计提供价值?

 

在使用电感器或变压器的功率变换系统中,SiC可以提高开关频率,从而使电感元件更小、更轻,并最终降低成本,这是SiC MOSFET进入光伏逆变器的重要原因。几年前,SiC MOSFET开始应用在ANPC拓扑结构中,是1500V光伏系统很好的设计方案。这种拓扑结构提高了开关频率,其中只有三分之一的功率器件采用了SiC MOSFET,系统性价比高。

 

但并非所有的应用都能从提高开关频率中受益。在通用变频器(GPD)应用中,由于没有电感元件可以从更高的开关频率中受益。即使在今天使用的不太高的调制频率下,电机电流也已经是几乎完美正弦的了。但是,SiC也可以用来减少导通损耗。与IGBT和二极管不一样,只要应用通常的PWM模式下,SiC MOSFET在两个方向都具有“无拐点电压”的特性。因此,如果使用足够大的芯片面积,就可以实现导通损耗的大幅降低。这使得设计集成在电机中的驱动器成为可能。它可以集成到密封的机箱内,并采用自然冷却。此外,长时间内工作在轻载的应用,可以利用“无拐点电压”的特点来降低能耗和总拥有成本(TCO)。

 

如果体二极管可以用作续流二极管,如英飞凌CoolSiC™ MOSFET,这将提供另一个对某些驱动器很重要的好处。无论功率流方向如何,功率耗散将始终在同一个芯片中,从而大大减少与功率循环有关的温度波动。

 

有时,更高的温度运行被宣称为SiC的一个好处。在需要在高温环境下散热的应用中,这将是一个重要的特性,但前提是封装和其他系统元件也要适合这种环境。

 

总结一下:

当一个应用可以从Si到SiC的切换中受益时,以正确的策略进行切换是很重要的。但是简单粗暴的切换可能无法充分利用新的半导体材料的潜力,即使它的工作没有问题。应该考虑尽量减少直流母线连接和栅极驱动器上的杂散电感,而且在大多数情况下,保护方案也需要调整。由于这需要时间,开发项目应尽早开始,即使目前SiC的供应情况看起来很紧张。

 

本文来自英飞凌全球博客,作者:Uwe Jansen  翻译:陈子颖

 

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