【必充技】一一新能源充电桩核心部件碳化硅功率器件

SiC 是目前相对成熟、应用最广的宽禁带半导体材料,基于 SiC 的功率器件相较 Si 基器件具有耐高压、耐高温、抗辐射、散热能力佳、导通损耗与开关损耗更低、开关频率更高、可减小模块体积等杰出特性,不仅可广泛用于电动汽车驱动系统、列车牵引设备、充电桩、开关电源、光伏逆变器、伺服电机、高压直流输电设备等民用场景,还可显著提升战斗机、战舰等军用系统装备的性能。

SiC应用场景

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1.新能源汽车

  • 车载充电机(OBC):车载充电机是指固定在汽车上,可将地面的交流充电桩输入的交流电转换为直流电,直接给动力电池充电,充电过程中宜由车载充电机提供电池管理系统(BMS)、充电接触器、仪表盘、冷却系统等低压用电电源。车载充电机由输入端口,控制单元,功率单元,低压辅助单元和输出端口等部件组成。车载充电机一般为两级电路,前级为PFC级,即功率因数校正环节,实现电网交流电压变为直流电压,且保证输入交流电流与输入交流电压同相位,根据实际设计功率需求的不同,可采用多级Boost电路并联进行扩容;后级为DC/DC级,实现PFC级输出直流电压变为所需充电电压,实现恒流/恒压充电功能,并保证交流高压侧与直流高压侧的电气绝缘。SiC二极管及MOSFET器件则可用于车载充电机PFC和DC-DC次级整流环节,推动车载充电机向双向充放电、集成化、智能化、小型化、轻量化、高效率化等方向发展。

车载充电机结构图

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  • 电机驱动器:将碳化硅功率器件作为电机驱动器的开关器件可显著降低损耗。其中,SiC BJT 构成的驱动器损耗降低了53%;当频率升高时,损耗还会进一步降低,开关频率为 15 kHz 时,SiC BJT驱动器的损耗降低了67%。

特拉斯是全球率先采用碳化硅逆变器的车企,其Model 3采用了意法半导体推出的650V SiC MOSFET逆变器,相较Model X等车型上采用的IGBT能带来5%~8%的逆变器效率提升,对电动车的续航能力有着显著提升;之后相继推出的Model Y以及Model S Plaid也采用了SiC技术。此外,比亚迪·汉EV高性能四驱版本也搭载了SiC器件,为国内首款采用SiC技术的车型。蔚来计划今年发布的纯电轿车也将搭载采用SiC模块的第二代电驱平台。预计未来将有越来越多的新能源车型采用碳化硅器件以全面替代硅基IGBT,为碳化硅器件带来巨大的市场需求。

特斯拉Model 3采用搭载SiC MOSFET的逆变器

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2.直流充电桩

直流充电桩又称快充充电桩,内部包含电源模块、计费系统、通信及控制系统、读卡及授权系统等,其中电源模块是核心部件,占设备总成本的50%,可将电网中的交流电转换为直流电为汽车动力电池充电。因SiC基晶体管可以实现比硅基功率器件更高的开关频繁,因此可以提供高功率密度、超小的体积,将在直流充电桩应用领域加速市场渗透。

120kw直流充电桩内部结构图

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3.轨道交通

碳化硅功率器件相较传统硅基IGBT能够有效提升开关频率,降低开关损耗,其高频化可以进一步降低无源器件的噪声、温度、体积与重量,提升装置应用的机动性、灵活性,是新一代牵引逆变器技术的主流发展方向。在“碳中和、碳达峰”目标指引下,碳化硅功率器件将加速在轨道交通领域的渗透。目前株洲中车时代联合深圳地铁集团基于3300V等级高压大功率SiC MOSFET的高频化应用自主开发了地铁列车全碳化硅牵引逆变器,在节能方面表现优异,经装车试验测试,同比传统硅基IGBT牵引逆变器的传动系统,综合能耗降低10%以上,牵引电机在中低速段噪声同比下降5分贝以上,温升同比降低40℃以上。

全碳化硅永磁直驱地铁列车

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4.光伏与风电

太阳能和风能发电系统是分别利用光伏电池板和风力带动发电机,直接将太阳能或风能转换成电能的发电系统,都需要以逆变器作为接口连接电网从而实现发电。为实现发电系统高效、稳定地运行,对逆变器提出了更为严苛的要求,需要相关半导体器件具有较大的击穿场强、耐高温、耐高压并能够工作在更高的开关频率下。传统硅基器件由于材料固有特性限制了其在高温、高压、高效率场景的应用。SiC基功率器件是其完美替代者,其中SiC MOSFET是高速低损耗功率开关中最有前景的器件之一。

目前阳光电源应用SiC器件的组串逆变器已广泛应用于全球市场;国家能源集团北京低碳清洁能源研究院自主开发了全球首个超薄全碳化硅高频隔离光伏逆变器,与现有光伏逆变器相比具有体积小、重量轻等优点,既降低了系统成本,又提高了系统效率和系统安全性,可以以此构建低成本高效率的光伏建筑一体化电气系统。

低碳院自主开发的新型全碳化硅超薄光伏逆变器

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5.智能电网

传统电网正在向智能电网转变,智能化电网设备及更优良器件的应用是实现其集智能、灵活、互动、兼容、高效等多功能于一体的关键。传统硅基电力电子变压器已在小功率电网领域实现了部分应用,但由于损耗大、体积大等缺陷尚无法在高压大功率的输电领域展开应用。比如目前商用硅基IGBT的最大击穿电压仅为6.5 kV,所有的硅基器件都无法在200℃以上正常工作,很大程度上降低了功率器件的工作效率。而碳化硅基功率器件能很好地解决这些问题,碳化硅功率器件关断电压最高达200 kV和工作温度高达600℃。碳化硅基功率开关由于具有极低的开启态电阻,并且能应用于高压、高温、高频场合,是硅基器件的理想替代者,另如果使用碳化硅功率模块,与使用硅功率电源装置相比,由开关损失引起的功率损耗可降低5倍以上,体积与重量减少40%,将对未来电网形态和能源战略调整产生重大影响。

6.工业控制

基于SiC的功率半导体器件可在高温、高压、高频、强辐射等极端环境下工作,性能优势突出,将其应用于电机驱动领域,不仅可降低驱动器的体积、重量、损耗,提升功率密度,还能有效减少音频噪声并提升电机响应性能,这对于我国突破高端伺服电机技术和实现高性能伺服电机及驱动器国产化具有重要意义。迈信电气与英飞凌合作开发了基于SiC-MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统,其功率板选用6颗30mΩ-SMD封装的CoolSiC™ MOSFET,具有较低的导通损耗、开关损耗、优异的开关速度可控性和散热性能。

基于SiC-MOSFET自然散热设计的一体化伺服电机系统

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7.家电

以空调为代表,为进一步减小电抗体积,优化整体结构,提高系统效率,变频空调PFC频率已由目前主流的40kHZ,向70kHZ、80kHZ甚至更高的频率设计,这对IGBT和FRD提出了越来越高的高频要求。目前已有空调厂家开始选用碳化硅二极管,比传统硅快回复二极管具有更小的正向导通压降,更高的耐温及高温稳定性,PFC效率能提升0.7 ~ 1个百分点,由于碳化硅二极管反向恢复时间很短,减轻了加在IGBT上的漏电流,可使IGBT温度降低约2℃~3℃,提升了系统整体性能和可靠性。对于IGBT来说,碳化硅MOS是一个不错的选择;同时集成碳化硅二极管+IGBT或者碳化硅MOS的模块也是一个较优选择。

理论上,只要是PFC或者升压电路、高压或高功率电源场景都会有碳化硅的应用机会,比如TV(商用显示器或者特殊功能显示器)、商用滚筒洗衣机、高端微波炉、高端电饭煲等,及其他大于500W的PFC拓扑结构电路。且功率越大,电压越高的场合,用碳化硅的优势越明显,能够提高系统效率,减小板子尺寸,优化系统结构,从而设计出性能更优,可靠性更高的产品。

目前瑞能半导体的碳化硅产品已经批量供货给国内主要空调厂商使用;而以美的、格力为代表的家电厂商目前也正在重点布局碳化硅功率器件领域,其中2019年,美的与三安光电进行合作共同成立第三代半导体实验室,聚焦在GaN、SiC半导体功率器件芯片与IPM(智能功率模块)的应用电路相关研发,并将其导入白色家电;2021年,格力公开了“碳化硅肖特基半导体器件”专利,可以在降低正向工作电压的同时,提高击穿电压,因而能够降低正向导通损耗,提高工作效率。

8.快充电源

近年来,随着USB PD快充技术的普及和氮化镓技术的成熟,大功率快充电源市场逐渐兴起,碳化硅二极管可助力快充电源实现更高的效率和更小的体积,逐渐在消费类电源市场中崭露头角,目前倍思120W快充、MOMAX 100W 快充,以及REMAX 100W快充率先导入了碳化硅技术。在大功率快充电源产品中,碳化硅二极管主要用于PFC级的升压整流,其搭配氮化镓功率器件,可以将PFC级的工作频率从传统快充的不足100KHz提升到300KHz,不仅减小升压电感体积,实现高功率密度的设计,同时也让电源的效率得到了大幅提升。

基本半导体SMBF封装碳化硅肖特基二极管

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9.不间断电源(UPS)

IGBT因同时具有MOSFET易于驱动,控制简单,开关频率高的优点,以及功率晶体管导通电压低,通态电流大的性能特点,广泛应用于不间断电源系统(UPS)。使用IGBT的UPS具有效率高、抗冲击能力强、可靠性高的优点,但有一个明显的缺点,即开关的速度越快(以获得更高的精度),电力损失就越高。而采用碳化硅则可改变这一缺陷,应用在UPS上可实现更加高效节能。模块层面上,碳化硅主要有两个优点:更小的芯片尺寸和更低的动态损耗。更低的动态损耗可带来输出功率的显著增加,且无需额外的冷却能力,将提供减轻重量和减小体积的机会。

10.LED照明

碳化硅在大功率LED方面具有非常大的优势,基于碳化硅的LED能够实现亮度更高、能耗更低,使用周期更长、单位芯片面积更小。碳化硅LED照明设备能将原LED灯使用数量下降1/3,成本下降40~50%,而亮度却提高两倍,导热能力提高10倍以上。如果大规模使用碳化硅LED照明替代白炽灯及荧光灯,对于我国节约用电,减少煤炭的消耗与CO2的排放具有重大意义。

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