R課堂 | 有助于車載和工業(yè)設(shè)備降低功耗！內(nèi)置SiC二極管的IGBT

本文的關(guān)鍵要點(diǎn)

?要想實(shí)現(xiàn)碳中和，就需要進(jìn)一步提高DC-DC轉(zhuǎn)換器等功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率。

?集IGBT和SiC肖特基勢壘二極管于一身的“Hybrid IGBT”，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和低成本，有助于實(shí)現(xiàn)適用于更多應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

隨著無碳社會進(jìn)程的加速，

對進(jìn)一步降低功耗的需求不斷增長

在現(xiàn)代社會，工廠的工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)活動和廠房的運(yùn)轉(zhuǎn)等都會消耗大量的能源。然而，近年來，全球眾多國家和地區(qū)加快了實(shí)現(xiàn)碳中和的進(jìn)程，這就要求各行各業(yè)的企業(yè)付出超出以往任的努力來應(yīng)對去碳化。

2021年末召開的“聯(lián)合國氣候變化框架公約第26次締約方大會（COP26）”達(dá)成了“努力將全球平均氣溫升幅限制在工業(yè)革命前水平的1.5℃以內(nèi)”的決議文件（圖1）。決議文件將6年前《巴黎協(xié)定》中1.5℃的“努力目標(biāo)”升級為“必達(dá)目標(biāo)”，“我們國家很難從化石燃料轉(zhuǎn)向可再生能源，希望延緩實(shí)現(xiàn)目標(biāo)”之類的借口不再適用。未來，各國政府應(yīng)該會陸續(xù)出臺減少溫室氣體（GHG）排放的具體政策和法規(guī)。特別是目前排放大量二氧化碳的汽車和工廠的生產(chǎn)活動，很可能成為需要減排的主要目標(biāo)。

圖1 COP26將1.5℃目標(biāo)從“努力目標(biāo)”升級為“必達(dá)目標(biāo)”

將這種情況反映在具體行動中的表現(xiàn)是全球已經(jīng)有很多國家和地區(qū)開始執(zhí)行碳稅等“碳定價(jià)機(jī)制”，即將企業(yè)的二氧化碳排放量轉(zhuǎn)嫁到企業(yè)成本中的機(jī)制。根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)，截至2021年4月10日，全球已經(jīng)有46個(gè)國家和35個(gè)地區(qū)推行這種機(jī)制。特別是對于從事跨國業(yè)務(wù)的企業(yè)而言，已經(jīng)進(jìn)入了去碳化努力與公司產(chǎn)品的成本競爭力直接相關(guān)的時(shí)代。

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用電力驅(qū)動的設(shè)備和設(shè)施劇增，

當(dāng)務(wù)之急是提升效率

在去碳化的努力中，經(jīng)常被提及的是以所謂的“EV轉(zhuǎn)型”為中心的汽車電動化、以及使用由可再生能源產(chǎn)生的電能。但是，僅靠這些還不足以實(shí)現(xiàn)1.5℃的目標(biāo)，而且去碳化努力也不止這些。

根據(jù)《2021年全球可再生能源現(xiàn)狀報(bào)告》的記載，全球能源消耗總量的32%與汽車等發(fā)動機(jī)驅(qū)動的運(yùn)輸設(shè)備有關(guān)，17%為家庭和工廠等使用的電能（圖2）。實(shí)際上，從百分比來看，可以說目前因電力消耗而產(chǎn)生的二氧化碳排放量占比較少。剩下的51%則是讓工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)、熱處理等所用的鍋爐等設(shè)備，通過燃燒化石燃料來使用熱能的。這部分也是去碳化難度較大的部分。

圖2 全球能源消耗總量的17%為電能 資料來源：REN21，《Renewables 2021 Global Status Report (GSR)》

未來，全球的去碳化大致會按照如下戰(zhàn)略推進(jìn)：首先，盡可能將能源消耗量大、燃燒化石燃料的相關(guān)運(yùn)輸設(shè)備和利用熱能的領(lǐng)域轉(zhuǎn)為利用電能，并進(jìn)行精細(xì)控制。該策略是將能源利用形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诳刂频碾娔?。一般而言，比起一旦啟動就很難停止的發(fā)動機(jī)、渦輪機(jī)和鍋爐，用電能驅(qū)動的電機(jī)和加熱器更容易根據(jù)需求停止和運(yùn)轉(zhuǎn)。除此之外，還會通過利用可再生能源發(fā)電、僅在必要時(shí)在最高效的條件下運(yùn)行設(shè)備，來推動節(jié)電。也就是說，未來由電力驅(qū)動的設(shè)備、設(shè)施和工廠的數(shù)量將會急劇增加，這意味著希望以優(yōu)異的功率轉(zhuǎn)換效率運(yùn)行的電氣設(shè)備和機(jī)電設(shè)備的數(shù)量將急劇增加。

在電動車輛（xEV）、工業(yè)用電機(jī)驅(qū)動裝置、太陽能發(fā)電廠的功率調(diào)節(jié)器、乃至工業(yè)設(shè)備和各種工廠的控制設(shè)備等應(yīng)用中，會配備有車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等各種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。然而，在功率轉(zhuǎn)換過程中總是存在著功率損耗。比如DC-DC轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換效率通常在80～95％左右。即使單次功率轉(zhuǎn)換時(shí)的效率較低，發(fā)電廠產(chǎn)生的電力通過傳輸和分配，到使用之前會經(jīng)歷幾次功率轉(zhuǎn)換，最終有約1/3變?yōu)闊崃炕螂姶挪ǘ鴵p耗掉。從這個(gè)損耗量要通過增設(shè)發(fā)電廠數(shù)量來補(bǔ)償?shù)慕嵌瓤矗梢灾肋@個(gè)浪費(fèi)有多么大。更大程度地減少損耗是推動去碳化的關(guān)鍵要點(diǎn)。

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而且，重要的是，提高電能利用率的解決方案，不僅需要更加高效的相關(guān)產(chǎn)品，還需要能夠適用于更多應(yīng)用。這是因?yàn)?，即使是可以大幅提高效率的技術(shù)，如果引進(jìn)該技術(shù)所需的成本過高，其應(yīng)用范圍就會受到限制，從而無法全面降低功耗。

利用SiC器件降低損耗，

利用混合器件提供優(yōu)質(zhì)解決方案

降低功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)損耗的方法包括改進(jìn)轉(zhuǎn)換電路的配置，以及采用工作時(shí)損耗低的功率器件。

近年來，IGBT等傳統(tǒng)的硅（Si）基功率器件已經(jīng)開始逐漸被碳化硅（SiC）基的功率器件取代。與Si器件相比，SiC器件的導(dǎo)通電阻更低，在高溫、高頻、高電壓環(huán)境下的性能更出色。由于具備這些特點(diǎn)，SiC器件有望成為適用于多在嚴(yán)苛環(huán)境下使用的汽車和工業(yè)用功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的下一代低損耗器件。

SiC器件在太陽能和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的DC-AC轉(zhuǎn)換器、電動汽車和混合動力汽車的車載充電器和功率轉(zhuǎn)換器、工業(yè)設(shè)備等的功率逆變器和電源、以及蓄電設(shè)備等中的應(yīng)用正在不斷增加。在這種背景下，ROHM量產(chǎn)并供應(yīng)650V/1200V耐壓的SiC肖特基勢壘二極管（SBD）、650V/750V/1200V/1700V耐壓的SiC MOSFET。

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目前很多功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)使用的是硅基IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）或SJ-MOSFET（Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，超級結(jié)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）作為開關(guān)器件。其中，IGBT具有生產(chǎn)成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)其用于電機(jī)和線圈等感性負(fù)載時(shí)，需要續(xù)流二極管才能工作。另外，IGBT通常存在關(guān)斷損耗問題。SJ-MOSFET具有關(guān)斷損耗低的優(yōu)點(diǎn)，但其存在難以支持大功率的問題。而SiC MOSFET和SiC SBD組合使用，可以大幅提高功率轉(zhuǎn)換效率。但是，目前由于用來形成元件的襯底—SiC晶圓極其昂貴，因此現(xiàn)狀是其應(yīng)用范圍受到限制。

要想積極推動去碳化，能夠適用于更廣泛的應(yīng)用、并同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率和低成本的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)解決方案是不可或缺的。針對這種需求，ROHM將適合降低成本的IGBT和能夠提高效率的SiC器件的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，打造出突破性的解決方案“Hybrid IGBT”。該解決方案使用SiC SBD作為IGBT續(xù)流二極管，可以大幅降低導(dǎo)通損耗。通過改善半橋配置中續(xù)流側(cè)器件（Low side）的關(guān)斷特性，改善了開關(guān)側(cè)器件（High side）的導(dǎo)通損耗。此外，開關(guān)器件元件本身采用了比SiC MOSFET更便宜的IGBT，因此可以降低成本，從而支持更廣泛的應(yīng)用。

ROHMHybrid IGBT的性能和優(yōu)勢

IGBT的續(xù)流二極管需要選用適合IGBT特性的產(chǎn)品。只是用碳化硅基二極管取代現(xiàn)有的硅基二極管，效率改善效果并不能達(dá)到預(yù)期。ROHM的650V耐壓Hybrid IGBT“RGWxx65C系列”融合了IGBT和SiC SBD特性上的優(yōu)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了一體化封裝。由于已經(jīng)在元器件層面優(yōu)化了需要進(jìn)行精密電路設(shè)計(jì)的部分，因此用戶使用該系列產(chǎn)品可以輕松構(gòu)建性價(jià)比高的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

將RGWxx65C系列應(yīng)用于車載充電器時(shí)，與以往的IGBT相比，損耗可降低67%；與SJ-MOSFET相比，損耗可降低24%（圖3）。在轉(zhuǎn)換效率方面，可以在更寬的工作頻率范圍確保97％以上的高效率，并且在100kHz的工作頻率下，效率可比IGBT高3％，而且，只需替換當(dāng)前所用的配有IGBT的電路，即可實(shí)現(xiàn)這種效率提升效果。本系列產(chǎn)品還符合汽車電子產(chǎn)品可靠性標(biāo)準(zhǔn)“AEC-Q101”，即使在車載和工業(yè)設(shè)備等的嚴(yán)苛環(huán)境下也可以安心使用。

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可以說ROHM的Hybrid IGBT是有助于更多汽車和工廠的去碳化、應(yīng)用效果非常出色的器件。

圖3

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☆：開發(fā)中 封裝采用JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。( )內(nèi)表示ROHM封裝。

點(diǎn)擊查看產(chǎn)品詳情：RGW60TS65CHR、

RGW80TS65CHR、RGW00TS65CHR

※除了本系列Hybrid IGBT外，產(chǎn)品陣容中還包括使用Si-FRD作為續(xù)流二極管的產(chǎn)品和無續(xù)流二極管的產(chǎn)品。了解更多信息，請?jiān)L問：場截止溝槽型IGBT

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