SiC功率器件的特點和優(yōu)勢

以下文章來源于智能空間機器人，作者havis.wang

SiC(碳化硅)功率器件正逐漸成為現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中的重要技術(shù)，其相較于傳統(tǒng)的硅(Si)器件，特別是在高功率、高效率和高頻率應(yīng)用中的優(yōu)勢日益顯現(xiàn)。Wolfspeed 等公司推出的 SiC 功率模塊正在推動電力電子領(lǐng)域的技術(shù)進步，尤其是在減小開關(guān)損耗、提高系統(tǒng)效率、降低 EMI 和減少組件體積等方面。下面是一些關(guān)鍵的特點和優(yōu)勢：

1. SiC 功率模塊的開關(guān)性能

SiC MOSFET（功率金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管）具有比硅 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）更快的開關(guān)速度，這帶來了顯著的優(yōu)勢：

降低開關(guān)損耗：SiC 器件的開關(guān)損耗相較于傳統(tǒng)硅 IGBT 降低了 77%。這意味著，在同樣的操作條件下，SiC 器件能夠更高效地轉(zhuǎn)換電能，減少能量浪費，降低熱損耗，提高整體系統(tǒng)的效率。

提高動態(tài)性能：SiC MOSFET 的高頻開關(guān)特性使得動態(tài)響應(yīng)更加靈敏，能夠支持更快的開關(guān)頻率，從而優(yōu)化了系統(tǒng)的效率和性能。

減少 EMI 濾波器體積：由于開關(guān)頻率更高，系統(tǒng)中的 EMI（電磁干擾）信號通常能夠更容易地被過濾掉。這意味著系統(tǒng)可以減小或簡化濾波器設(shè)計，降低系統(tǒng)的體積和成本。

2. 與其他 SiC 器件的對比

Wolfspeed 的新型 SiC 模塊不僅開關(guān)損耗低，而且在電壓余量上也表現(xiàn)出色：

更高的電壓余量：與其他同類的 SiC 功率器件相比，Wolfspeed 模塊的電壓余量高出 15%，意味著它們可以在更高的電壓下穩(wěn)定工作，提升了系統(tǒng)的可靠性。

改善溫度穩(wěn)定性：SiC 器件的溫度穩(wěn)定性優(yōu)于硅 IGBT，能夠在更高的溫度下穩(wěn)定運行，適應(yīng)極端環(huán)境條件，減少熱失效風險。

3. 減少無源元件的數(shù)量

由于 SiC MOSFET 的更快開關(guān)速度，它們能夠減少系統(tǒng)中電容器、電感器和其他無源元件的數(shù)量。系統(tǒng)的無源器件數(shù)量減少意味著：

體積減?。河捎诓辉傩枰敲炊嗟臒o源元件，系統(tǒng)的體積變得更加緊湊。

成本降低：減少了不必要的組件，不僅有助于降低成本，還有助于提高系統(tǒng)的集成度。

4. 新型模塊設(shè)計

Wolfspeed 新推出的 WolfPack 系列 SiC 功率模塊具有以下特點：

半橋、六橋、全橋配置：這些配置可以滿足不同類型電源的需求，具有更高的靈活性，適用于多種應(yīng)用場景。

預涂熱界面材料：該模塊配有預涂熱界面材料，簡化了散熱設(shè)計，提高了熱管理效率，減少了組裝的復雜性。

去掉底板設(shè)計：與許多其他功率模塊不同，WolfPack 系列的模塊取消了底板。這不僅有助于減小體積和重量，還提高了熱管理效率和導熱性能。

5. 傳統(tǒng)電源模塊與 SiC 模塊的對比

在傳統(tǒng)的電源模塊中，通常會使用 直接銅鍵合（DBC） 基板，這是因為 DBC 基板具有非常高的導熱性，能夠處理大電流并提供良好的高壓隔離。然而，這種基板會占用較大的空間，并增加模塊的厚度和成本。而 SiC 功率模塊的設(shè)計通過去除底板和優(yōu)化熱界面材料，進一步簡化了設(shè)計，提高了效率，并降低了制造成本。

6. 未來展望

SiC 功率模塊的快速開關(guān)和高電壓耐受能力使其在多個領(lǐng)域（如電動汽車、工業(yè)電源、可再生能源系統(tǒng)等）都具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的進步和成本的逐步降低，SiC 預計將在未來成為高效能電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的標準選擇。

總的來說，SiC 技術(shù)的引入使得電力電子設(shè)備能夠在更高效、更小型化和更可靠的基礎(chǔ)上運行，對于降低能耗、提高系統(tǒng)性能具有重要意義。

SiC 在功率電子中的應(yīng)用及其優(yōu)勢

SiC（碳化硅）技術(shù)正在徹底改變功率電子設(shè)備，尤其是在高功率、高電壓應(yīng)用中，例如電力開關(guān)、逆變器和儲能系統(tǒng)。SiC的優(yōu)勢包括更快的開關(guān)速度、更低的開關(guān)損耗、更高的熱穩(wěn)定性和更強的耐輻射能力，使得其成為替代傳統(tǒng)硅材料（如IGBT）在一些應(yīng)用中的理想選擇。以下是SiC在現(xiàn)代功率電子系統(tǒng)中的應(yīng)用和優(yōu)勢：

1. 功率FET模塊的基板與底板設(shè)計

在功率電子設(shè)備中，功率FET（場效應(yīng)晶體管）通常會安裝到一個基板上，然后將基板焊接到一個底板上。底板的作用是確保與散熱器的良好接觸，從而有效地傳導熱量，防止系統(tǒng)過熱，保證系統(tǒng)的效率和可靠性。

熱管理：底板幫助FET維持最佳工作溫度，防止因溫度過高而導致的效率損失或設(shè)備故障。散熱器通過與底板連接，帶走熱量，確保設(shè)備在高溫環(huán)境下也能穩(wěn)定工作。

重載功率電子設(shè)備：在高功率應(yīng)用中，多個基板通常會集中在一個大型底板上，以確保多個功率設(shè)備能夠有效散熱并可靠運行。這種做法廣泛應(yīng)用于電動汽車、電力轉(zhuǎn)換器以及大規(guī)模可再生能源系統(tǒng)。

低到中功率系統(tǒng)：對于低功率模塊，通常只需要一個基板，因此底板的使用較少，冷卻需求較低。

2. SiC設(shè)備的耐久性與可靠性

SiC模塊相較于傳統(tǒng)的硅IGBT模塊具有顯著的耐久性和可靠性優(yōu)勢。Wolfspeed的SiC設(shè)備在以下幾個方面表現(xiàn)出色：

FIT（失效時間率）改進：FIT率是衡量設(shè)備可靠性的指標，F(xiàn)IT率越低表示設(shè)備在使用過程中出現(xiàn)故障的概率越低。SiC模塊的FIT率比傳統(tǒng)硅模塊低，意味著它們在長期運行中更可靠。

抗輻射能力：SiC設(shè)備在宇宙輻射相關(guān)故障方面具有更高的抗性，尤其是在高電壓下（如2000V模塊）。這使得SiC特別適用于航空航天、國防以及其他高輻射環(huán)境的應(yīng)用。

1500V DC持續(xù)運行：SiC模塊能夠在高電壓直流輸入下持續(xù)高效運行，如太陽能逆變器和儲能系統(tǒng)，這對于確保設(shè)備在嚴苛工作條件下長時間穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

3. SiC在兩級與三極逆變器之間的過渡

SiC的更快開關(guān)頻率和其他特性使其成為改進逆變器技術(shù)的關(guān)鍵，特別是在能源存儲系統(tǒng)中，SiC幫助實現(xiàn)了更加緊湊、高效和成本更低的逆變器設(shè)計。

EPC的M逆變器

EPC公司利用SiC的優(yōu)勢，推出了第一款專為電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化的公用事業(yè)級串聯(lián)逆變器（M逆變器）。EPC公司表示，使用2300V的SiC功率器件大幅縮小了系統(tǒng)尺寸，減少了內(nèi)部無源元件的數(shù)量。

簡化拓撲結(jié)構(gòu)：通過SiC，EPC能夠采用兩級拓撲，這一設(shè)計比傳統(tǒng)的基于IGBT的三極逆變器更加簡單、低成本。兩級逆變器通過將功率開關(guān)以高頻率開啟和關(guān)閉，直接從直流電源（如大規(guī)模電池組）生成與電網(wǎng)或電力分配系統(tǒng)兼容的交流輸出。

模塊化設(shè)計：M逆變器不僅更小巧、成本更低，而且具有高度的模塊化。這意味著多個單元可以組合成定制化的中央式逆變器，輸出三相交流電壓，且安裝與維護更加便捷。

兩級逆變器的工作原理

一般來說，兩級逆變器由三個功率階段組成，每個功率階段包括一對并聯(lián)的功率FET和一個二極管，連接到大規(guī)模的電池組或其他直流電壓源和交流負載。在能源存儲系統(tǒng)中，兩級逆變器通過快速開啟和關(guān)閉功率開關(guān)，能夠以電網(wǎng)或其他電力分配系統(tǒng)所需的頻率和波形輸出交流電。

PWM控制：功率開關(guān)由MCU（微控制單元）或CPU控制，這些控制器輸出脈寬調(diào)制（PWM）信號來調(diào)節(jié)開關(guān)的開啟與關(guān)閉頻率，從而精確控制交流輸出。

結(jié)論

SiC技術(shù)通過提供更高的效率、更小的體積和更低的成本，正在推動現(xiàn)代功率電子系統(tǒng)的變革。尤其在高功率、高電壓應(yīng)用（如太陽能逆變器、電動汽車充電系統(tǒng)和大規(guī)模電池儲能）中，SiC的優(yōu)勢變得尤為顯著。SiC不僅能提高系統(tǒng)的可靠性和耐用性，還能使設(shè)備更加緊湊、模塊化，且易于安裝和維護。

二級與三級逆變器的對比：應(yīng)用與效率優(yōu)勢

二級逆變器

二級逆變器通常用于低功率應(yīng)用，如家用電器和一些小型電力系統(tǒng)。其主要特點是采用簡單的兩級拓撲結(jié)構(gòu)，通常包含兩對功率開關(guān)（如MOSFET或IGBT），用于實現(xiàn)正負電壓輸出。

輸出波形：二級逆變器的輸出波形只能在**正電壓（+Vdc）和負電壓（?Vdc）**之間切換，因此其輸出波形呈現(xiàn)“階梯狀”特征，伴隨較高的諧波失真。

開關(guān)頻率：為了達到較為平滑的輸出波形，二級逆變器需要較高的開關(guān)頻率，這會導致開關(guān)損耗的增加。

效率問題：由于波形中包含較多的諧波，二級逆變器的效率較低，特別是在需要處理較高功率的情況下。其較高的開關(guān)頻率和較多的諧波導致較大的能量損失。

三級逆變器（中性點鉗位，NPC拓撲）

三級逆變器，通常被稱為中性點鉗位（NPC）拓撲，常用于高功率系統(tǒng)，如電動汽車（EV）、工業(yè)電動機、太陽能和風能等可再生能源系統(tǒng)。這種拓撲結(jié)構(gòu)通過三階段功率處理，每個階段包含四個功率開關(guān)。

輸出波形：三級逆變器能夠提供三個電壓水平：正電壓（+Vdc）、零電壓（0V）和負電壓（?Vdc）。這種額外的電壓級別使得輸出波形更加平滑，具有更低的諧波失真，從而提高了效率。

降低諧波失真：三級逆變器由于能夠輸出更接近正弦波的電壓，因此能有效減少諧波失真，提高輸出波形的質(zhì)量。對于高功率系統(tǒng)，如工業(yè)電動機或電動汽車中的三相交流電動機，這種更平滑的波形帶來更高的效率。

系統(tǒng)效率提升：由于輸出波形更平滑，系統(tǒng)的開關(guān)頻率可以降低，這使得逆變器所需的電容器和磁性元件可以更小，進而降低了系統(tǒng)的成本和體積。

適用于大功率應(yīng)用：與二級逆變器相比，三級逆變器能夠更高效地處理更大的功率，尤其是在電壓升高的情況下，如儲能系統(tǒng)和電動汽車的電池管理系統(tǒng)。

工作原理與設(shè)計優(yōu)勢

三級逆變器的設(shè)計不僅在輸出波形上優(yōu)于二級逆變器，還通過以下方式進一步提高了系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性：

DC Link電容器：三級逆變器使用大容量的DC Link電容器來將直流電壓分成兩半。電容器的作用是平滑電壓，減少因IGBT或MOSFET開關(guān)而引起的電壓波動（即紋波）。這些電容器幫助平穩(wěn)電力軌道上的直流電壓，為功率開關(guān)提供穩(wěn)定的輸入電壓。

電壓“鉗制”：三級逆變器通過中性點鉗位的方式將電壓鉗制為直流總線電壓的一半，從而減少了每個功率開關(guān)所需承受的電壓。這樣可以使功率設(shè)備的額定電壓更低，從而減少開關(guān)損耗。

功率設(shè)備優(yōu)化：在三級逆變器中，由于每個功率器件只需承受半個直流總線電壓，因此所使用的功率FET或IGBT可以采用更小的規(guī)格，這樣就能提高效率，降低開關(guān)損耗。而在二級逆變器中，每個功率開關(guān)必須承受整個直流電壓，這就要求使用更大尺寸的器件，并且由于更高的電壓，開關(guān)損耗也隨之增加。

SiC（碳化硅）對逆變器的影響

SiC技術(shù)作為一種新興的寬禁帶半導體材料，相較于傳統(tǒng)的硅材料具有顯著的優(yōu)勢，特別是在高電壓、高頻率和高功率密度應(yīng)用中。

更高的擊穿電壓：SiC MOSFET具有比硅器件更高的擊穿電壓，這使得它能夠在更小的體積中承受較高的電壓。

減少開關(guān)損耗：SiC的更高擊穿電壓意味著其能夠處理與硅相同的電壓但所需的體積更小，從而減少了開關(guān)損耗。這對于提升逆變器的效率至關(guān)重要，尤其是在需要快速開關(guān)的高頻應(yīng)用中。

適用于高功率逆變器：SiC器件在三級逆變器中能夠有效降低開關(guān)損耗，從而提高系統(tǒng)的整體效率。這在大功率逆變器中，尤其是在電動汽車和可再生能源系統(tǒng)中，尤為重要。

總結(jié)

二級逆變器適用于低功率應(yīng)用，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但其開關(guān)頻率較高，效率較低，特別是在處理較高功率時。

三級逆變器則適用于高功率應(yīng)用，特別是需要高效處理較高電壓和功率的場合，如電動汽車、太陽能和風能等可再生能源系統(tǒng)。三級逆變器通過中性點鉗位技術(shù)減少諧波失真、提高效率，并且通過SiC等先進材料進一步提升開關(guān)性能和系統(tǒng)可靠性。

SiC技術(shù)在逆變器中的應(yīng)用，尤其是三級逆變器中，可以顯著提高效率、減少開關(guān)損耗，并使系統(tǒng)在更高的電壓下運行，從而推動更大功率、高效率的電力電子系統(tǒng)的發(fā)展。

SiC技術(shù)正推動逆變器及其他功率電子設(shè)備在多個領(lǐng)域中的應(yīng)用，尤其是在新能源、電動汽車和工業(yè)自動化等領(lǐng)域，帶來了顯著的性能提升。

SiC在功率電子中的顯著影響

三級逆變器的復雜性與成本

三級逆變器（NPC拓撲結(jié)構(gòu)）盡管具有更高的效率，但其復雜性也相應(yīng)增加。為實現(xiàn)額外的電壓級別，三級逆變器需要更多的功率開關(guān)和控制這些開關(guān)的驅(qū)動電路。這意味著更多的組件需要集成到系統(tǒng)中，從而增加了系統(tǒng)的成本和設(shè)計復雜性。

更多的功率開關(guān)：三級逆變器通常采用四個功率開關(guān)來處理每個“腿”中的正負電壓轉(zhuǎn)換，相比之下，二級逆變器只有兩個功率開關(guān)。這種復雜的結(jié)構(gòu)需要更多的開關(guān)和更復雜的驅(qū)動電路。

驅(qū)動電路的復雜性：由于更多的開關(guān)組件，驅(qū)動電路的設(shè)計和控制更加復雜，增加了開發(fā)和生產(chǎn)的成本。

SiC模塊的優(yōu)勢：簡化設(shè)計與降低成本

SiC技術(shù)的引入為三電平和兩電平拓撲之間架起了橋梁。EPC公司利用2,300-V SiC模塊的高電壓和更快的開關(guān)速度，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，顯著降低了成本。

設(shè)計優(yōu)化：傳統(tǒng)上，功率系統(tǒng)設(shè)計常使用總線條（busbars）來處理高電流和電壓。然而，SiC技術(shù)允許將設(shè)計從總線條轉(zhuǎn)換為更經(jīng)濟的印刷電路板（PCB）。這種設(shè)計改進不僅簡化了電路布局，還減少了組件的數(shù)量，從而降低了整體系統(tǒng)成本。

減少驅(qū)動電路數(shù)量：使用SiC模塊，系統(tǒng)中所需的門極驅(qū)動器數(shù)量也減少，因為SiC器件的更快開關(guān)速度使得驅(qū)動控制變得更加簡便。這降低了控制復雜性并減少了故障點，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)級的成本節(jié)省

盡管SiC功率器件的價格普遍高于傳統(tǒng)的IGBT，但其在設(shè)計中的優(yōu)化可以顯著降低系統(tǒng)級的成本。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

模塊集成度提高：SiC模塊的高效率和高電壓特性使得設(shè)計能夠縮減為較小尺寸的組件，減少了電路板的空間需求。

降低熱管理成本：SiC器件因其較小的尺寸和較低的開關(guān)損耗，在熱管理上具有優(yōu)勢，意味著散熱解決方案可以更簡單，進而降低了相關(guān)的成本。

長壽命和更高的可靠性：SiC模塊的耐用性較高，尤其是在兩電平拓撲結(jié)構(gòu)中，它減少了系統(tǒng)中的潛在故障點，從而提高了整體可靠性和使用壽命。

Wolfspeed模塊的特性

Wolfspeed的SiC模塊不僅在性能上有顯著優(yōu)勢，還在系統(tǒng)級別提供了更多的可靠性：

更長的使用壽命：由于減少了故障點的數(shù)量，系統(tǒng)的可靠性和使用壽命得到了顯著提升。尤其是在長期運行的系統(tǒng)中，這種優(yōu)勢尤為明顯。

適用于高電壓應(yīng)用：Wolfspeed的模塊能夠承受1,500-V DC的持續(xù)工作電壓，且具有更高的抗輻射能力，相較于常規(guī)的2,000-V模塊，它能夠提供更強的耐用性，尤其適合用于要求長期穩(wěn)定運行的應(yīng)用場景。

SiC技術(shù)的市場前景

SiC材料的廣泛應(yīng)用正在推動功率電子技術(shù)的發(fā)展，特別是在高功率和高效率應(yīng)用中。隨著技術(shù)的進步和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，SiC器件的成本預計會繼續(xù)下降，使其在更多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。例如，在電動汽車（EV）和可再生能源系統(tǒng)中的應(yīng)用，SiC技術(shù)可以有效提升系統(tǒng)的效率并降低總成本。

總結(jié)

SiC的優(yōu)勢：SiC技術(shù)提供了高效率、快速開關(guān)和更高的電壓承受能力，使得功率電子系統(tǒng)的設(shè)計更加簡化，系統(tǒng)成本得以降低，同時提高了可靠性和長壽命。

系統(tǒng)級優(yōu)化：SiC模塊不僅能簡化電路設(shè)計，減少元件數(shù)量，還能通過減少熱管理需求、降低開關(guān)損耗等手段來降低成本，最終使系統(tǒng)更具成本效益。

未來前景：隨著SiC技術(shù)的發(fā)展，它將在更多高功率應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，尤其是在電動汽車、可再生能源和工業(yè)領(lǐng)域，推動功率電子設(shè)備向更高效率、更長壽命方向發(fā)展。

SiC功率電子設(shè)備的應(yīng)用，將極大地推動現(xiàn)代功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，特別是在對效率和可靠性要求較高的場合，提供了更具競爭力的解決方案。