SiC助力軌道交通駛向“碳達(dá)峰”
當(dāng)前,全球主要國(guó)家和地區(qū)都已經(jīng)宣布了“碳達(dá)峰”的時(shí)間表。在具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中,軌道交通將是一個(gè)重要領(lǐng)域。由于用能方式近乎100%為電能,且?guī)?dòng)大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),因此軌道交通的“碳達(dá)峰”雖然和工業(yè)的“碳達(dá)峰”路徑有差異,但總體實(shí)現(xiàn)時(shí)間將較為接近。在中國(guó),這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2030年之前。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202211/439969.htm當(dāng)然,“碳達(dá)峰”在每一個(gè)領(lǐng)域都有狹義和廣義的區(qū)分,比如在工業(yè)領(lǐng)域,一方面是重點(diǎn)企業(yè)自身通過(guò)節(jié)能+綠電的方式實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,另一方面也需要圍繞重點(diǎn)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游全面實(shí)現(xiàn)能耗降低。對(duì)于軌道交通也是如此,狹義層面的軌交工具,以及廣義層面的所有配送電設(shè)施和其他基礎(chǔ)建設(shè),以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈均需要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”。
本文我們將重點(diǎn)介紹第三代半導(dǎo)體中的SiC(碳化硅)如何助力軌道交通完成“碳達(dá)峰”目標(biāo),并為大家推薦貿(mào)澤電子在售的領(lǐng)先的SiC元器件精品。
SiC在軌道交通中的應(yīng)用
SiC和氮化鎵(GaN)等是第三代半導(dǎo)體的代表材料。通過(guò)下圖能夠看到,與第一二代半導(dǎo)體材料相比,SiC等第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和漂移速率及更高的抗輻射能力,因此特別適合高壓、高頻率場(chǎng)景,幫助相關(guān)領(lǐng)域提效降耗。
圖1:半導(dǎo)體材料特性對(duì)比
(圖源:海通證券)
得益于SiC材料優(yōu)異的電氣性能,SiC功率器件成為半導(dǎo)體廠商布局的熱門(mén)賽道,從廠商屬性來(lái)看,主要以IDM類(lèi)型廠商為主。綜合而言,SiC功率器件主要分為兩大類(lèi),分別是SiC功率二極管和SiC功率晶體管。其中SiC功率二極管又會(huì)包括肖特基二極管和PiN二極管;SiC功率晶體管則主要是SiC MOSFET、SiC JFET、SiC IGBT和SiC晶閘管。從目前的產(chǎn)品發(fā)展情況來(lái)看,SiC肖特基二極管和SiC MOSFET的商業(yè)化水平最高。
更深入地看,SiC肖特基二極管是當(dāng)前速度最快的高壓肖特基二極管,在實(shí)際的開(kāi)關(guān)應(yīng)用中,SiC肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間為零,可以大幅提升開(kāi)關(guān)頻率,并且開(kāi)關(guān)特性不受結(jié)溫的影響。SiC肖特基二極管能夠顯著降低開(kāi)關(guān)損耗,幫助打造更高功率密度的整體方案。此外,SiC肖特基二極管正向壓降(Vf)為溫度特性,易于并聯(lián)。
作為傳統(tǒng)Si IGBT的潛力替代選項(xiàng),SiC MOSFET同樣具有不勝枚舉的性能優(yōu)勢(shì),我們?cè)诖撕?jiǎn)單列舉幾項(xiàng)。比如,SiC的介電擊穿場(chǎng)強(qiáng)大約是Si的10倍,因而SiC MOSFET具有高耐壓和低壓降的特性,在相同耐壓條件下,SiC MOSFET比Si IGBT的導(dǎo)通損耗更低,同時(shí)器件尺寸更??;MOSFET原理上不產(chǎn)生尾電流,因而SiC MOSFET比Si IGBT有著更低的開(kāi)關(guān)損耗,能夠打造更高功率密度的系統(tǒng)方案,且能夠工作于更高頻的場(chǎng)景下;此外,SiC MOSFET更利于方案廠商進(jìn)行小型化和輕量化設(shè)計(jì)。
憑借著優(yōu)異的產(chǎn)品特性,SiC功率器件市場(chǎng)發(fā)展迅速。根據(jù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Omdia的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2019年全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模為8.9億美元,受益于軌交、新能源汽車(chē)、光伏等下游市場(chǎng)的需求量不斷提升,預(yù)計(jì)到2024年全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)26.6億美元,年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到24.5%。
圖2:全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)
(圖源:中商產(chǎn)業(yè)研究院)
在軌道交通領(lǐng)域,牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等環(huán)節(jié)均可用到SiC功率器件。比如在軌道交通的電力牽引系統(tǒng)中,牽引變流器是其中的核心器件,相較于機(jī)車(chē)大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)往使用IGBT,采用SiC功率器件替代后,整體方案在高溫、高頻和低損耗等技術(shù)參數(shù)方面得到顯著改善。并且,SiC功率器件可以在更高的頻率下切換,系統(tǒng)中的變壓器、電容、電感等無(wú)源器件的數(shù)量和體積明顯減小,改善了整體方案的體積和重量,提升軌交機(jī)車(chē)的能效水平。
根據(jù)蘇州軌道交通官方的測(cè)試數(shù)據(jù),蘇州軌交3號(hào)線0312號(hào)列車(chē)作為國(guó)內(nèi)首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目,相較于過(guò)往使用IGBT逆變器、三相交流異步電機(jī)、車(chē)控牽引系統(tǒng),新一代牽引系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)牽引節(jié)能20%,系統(tǒng)最大質(zhì)量減小19%,對(duì)我國(guó)軌道交通的“碳達(dá)峰”進(jìn)程,有巨大的借鑒和推動(dòng)作用。
未來(lái),中國(guó)以及全球的軌道交通的電氣系統(tǒng)將呈現(xiàn)高頻化、小型化、輕量化、集成化、大功率化、高功率密度化的典型趨勢(shì),憑借著器件本身和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢(shì),SiC功率器件在軌道交通中的應(yīng)用前景光明且廣闊。
當(dāng)然,為了響應(yīng)軌道交通,以及新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能、光伏、電網(wǎng)等下游領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì),SiC功率器件也會(huì)持續(xù)得到優(yōu)化。未來(lái),SiC功率器件的發(fā)展趨勢(shì)將分為兩個(gè)層面。在器件本身,SiC功率器件將繼續(xù)強(qiáng)化在高頻、高耐壓和高集成等方面的優(yōu)勢(shì),提升器件在各行業(yè)中的滲透率;在產(chǎn)業(yè)層面,由于SiC器件的制造成本中,SiC襯底成本占比50%,因而提高襯底生產(chǎn)速率及良率將是后續(xù)產(chǎn)業(yè)的重中之重。
隨著SiC功率器件的性能逐漸優(yōu)化,產(chǎn)能繼續(xù)爬坡,軌道交通、新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能等下游領(lǐng)域?qū)V泛受益,為各產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”提速。作為知名的電子元器件分銷(xiāo)商,貿(mào)澤電子將持續(xù)為廣大工程師朋友帶來(lái)全面的SiC功率器件組合,以及先進(jìn)的SiC功率器件新品。下面,就讓我們一起來(lái)看幾款來(lái)自制造商Infineon(英飛凌)的高性能的SiC功率器件方案。
英飛凌 CoolSiC? 1700V SiC溝槽式MOSFET
我們?cè)谏厦嫣岬?,目前全球SiC功率器件的主要玩家基本都是IDM廠商。而在這些廠商當(dāng)中,英飛凌的布局是較早的,該公司在2001年就已經(jīng)推出首款SiC肖特基二極管,目前產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多次的技術(shù)迭代。英飛凌在SiC和GaN這些新型寬禁帶功率電子器件領(lǐng)域已經(jīng)有超過(guò)20年的技術(shù)積累,并且提供廣泛的產(chǎn)品組合,包括Si器件、SiC器件和GaN器件。
圖3:英飛凌寬禁帶功率電子器件布局
(圖源:英飛凌)
經(jīng)過(guò)20多年的深厚積累,英飛凌擁有完整的SiC供應(yīng)鏈,提供滿(mǎn)足最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的豐富的SiC產(chǎn)品組合,從超低壓到高壓功率器件等不一而足,可以保證實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命并帶來(lái)高可靠性。
圖4:英飛凌 CoolSiC? 各系列產(chǎn)品
(圖源:英飛凌)
和傳統(tǒng)Si器件相比,SiC器件具有一系列的性能優(yōu)勢(shì),上面我們已經(jīng)提到了相關(guān)優(yōu)勢(shì),此處不再贅述。我們要說(shuō)的是,在SiC MOSFET方面,英飛凌 CoolSiC? MOSFET技術(shù)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)高性能、可靠性和易用性,顯著改善了器件的反向恢復(fù)特性,給方案設(shè)計(jì)提供了新的靈活性,以利用出色的效率和可靠性水平。
英飛凌CoolSiC? MOSFET產(chǎn)品提供1,700V、1,200V和650V的產(chǎn)品選擇,為軌道交通、光伏逆變器、電池充電、儲(chǔ)能、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、UPS、輔助電源和SMPS等領(lǐng)域賦能。
在1,700V電壓等級(jí)上,英飛凌CoolSiC? 1700V SiC溝槽式MOSFET采用新型碳化硅材料,優(yōu)化用于反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。我們以IMBF170R1K0M1XTMA1為例來(lái)展開(kāi)說(shuō)明,大家可以通過(guò)搜索此物料號(hào)在貿(mào)澤電子平臺(tái)上快速找到這款器件。
圖5:IMBF170R1K0M1XTMA1
(圖源:貿(mào)澤電子)
IMBF170R1K0M1XTMA1具有12V/0V柵極-源極電壓,兼容大多數(shù)反激式控制器。該器件針對(duì)反激式拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化,可在高效率水平下實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的單端反激式拓?fù)洌捎糜谠诒姸嚯娫磻?yīng)用中連接到600V至1,000V直流母線電壓的輔助電源。IMBF170R1K0M1XTMA1具有更高的工作頻率和極低的開(kāi)關(guān)損耗,以及用于EMI優(yōu)化的完全可控dV/dt,可用于實(shí)現(xiàn)高功率密度的方案設(shè)計(jì)。
通過(guò)采用TO-263-7高爬電距離封裝,IMBF170R1K0M1XTMA1可直接集成到PCB中,自然對(duì)流冷卻,無(wú)需額外的散熱器,并且由于延長(zhǎng)了封裝的爬電距離和間隙距離,減少了隔離工作,從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)復(fù)雜度,提升功率密度。
圖6:IMBF170R1K0M1XTMA1內(nèi)部框圖
(圖源:英飛凌)
需要特別強(qiáng)調(diào)的是,為了確保提供適合各自應(yīng)用的系統(tǒng)方案,英飛凌仍在繼續(xù)優(yōu)化基于SiC產(chǎn)品的組合方案。鑒于使用隔離柵極輸出段可以更輕松處理超快開(kāi)關(guān)功率晶體管(如CoolSiC? MOSFET),英飛凌基于其無(wú)芯變壓器技術(shù)推出了匹配的電隔離EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動(dòng)IC。英飛凌建議,用該公司的EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動(dòng)IC來(lái)補(bǔ)充英飛凌CoolSiC? MOSFET,以充分利用SiC技術(shù)的優(yōu)勢(shì),提高效率、節(jié)省空間并減輕重量、減少零件數(shù)量和增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。
憑借這些出色的器件性能,IMBF170R1K0M1XTMA1以及英飛凌CoolSiC? 1700V SiC溝槽式MOSFET解決方案不僅可以用于軌道交通相關(guān)領(lǐng)域,并且在電動(dòng)汽車(chē)快速充電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、工業(yè)電源和光伏逆變器等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。
英飛凌 1200V CoolSiC? 模塊
如上所述,英飛凌CoolSiC解決方案不僅包含分立器件,還有SiC模塊。發(fā)展至今,英飛凌已經(jīng)生產(chǎn)銷(xiāo)售數(shù)百萬(wàn)個(gè)混合模塊(快速硅基開(kāi)關(guān)與CoolSiC? 肖特基二極管的組合),進(jìn)一步增強(qiáng)了該公司在SiC技術(shù)領(lǐng)域的市場(chǎng)地位。
我們以英飛凌CoolSiC? MOSFET模塊展開(kāi),這些模塊采用不同的封裝和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提供從45mΩ到2mΩ RDS(on)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并支持根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行定制,以此提供不同的配置,例如3電平、半橋、四組、六組或作為升壓器,幫助逆變器設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)出色的效率和功率密度水平。
綜合而言,英飛凌1200V SiC MOSFET模塊提供非常高的柵極氧化物可靠性和先進(jìn)的溝槽設(shè)計(jì),具有較高的效率和系統(tǒng)靈活性。在此,我們?yōu)榇蠹彝扑]該系列產(chǎn)品中的F3L11MR12W2M1B74BOMA1,大家也可以通過(guò)搜索此物料號(hào)在貿(mào)澤電子平臺(tái)上快速了解這款模塊。
圖8:F3L11MR12W2M1B74BOMA1
(圖源:貿(mào)澤電子)
F3L11MR12W2M1B74BOMA1基于CoolSiC? 溝槽MOSFET技術(shù)打造,采用3級(jí)ANPC拓?fù)?、近閾值電路(NTC)和PressFIT觸點(diǎn)技術(shù),擁有諸多優(yōu)秀的產(chǎn)品特性,包括具有1,200V開(kāi)關(guān)的完整1,500VDC能力、高頻工作、大電流密度、低電感設(shè)計(jì)、低器件電容、與溫度無(wú)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗,以及較高的功率密度等等。
圖9:F3L11MR12W2M1B74BOMA1內(nèi)部框圖
(圖源:英飛凌)
并且,通過(guò)F3L11MR12W2M1B74BOMA1的器件詳情頁(yè)能夠看到,英飛凌1200V CoolSiC? 模塊提供最廣泛的Easy產(chǎn)品組合,擁有多個(gè)產(chǎn)品規(guī)范,同時(shí)模塊間還可以并聯(lián)使用,使得開(kāi)發(fā)人員的逆變器設(shè)計(jì)自由度更高,優(yōu)化開(kāi)發(fā)周期時(shí)間和成本。
總結(jié)
目前,在中國(guó)市場(chǎng),無(wú)論是上述提到的國(guó)內(nèi)首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目——蘇州軌交3號(hào)線0312號(hào)列車(chē),還是國(guó)內(nèi)首臺(tái)全碳化硅牽引逆變器地鐵列車(chē)——深圳地鐵1號(hào)線列車(chē),SiC在軌道交通方面的應(yīng)用已經(jīng)全面展開(kāi),并已經(jīng)成為項(xiàng)目中的核心亮點(diǎn),使得相關(guān)列車(chē)具有更輕的質(zhì)量、更可靠的品質(zhì)和更低的能耗。
隨著全球SiC產(chǎn)品技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的完善,未來(lái)軌道交通對(duì)于SiC的使用率會(huì)顯著提升,將全面進(jìn)入SiC時(shí)代,加快”碳達(dá)峰”的腳步。在此過(guò)程中,SiC分立器件以及SiC模塊是系統(tǒng)的基石,作為半導(dǎo)體和電子元器件業(yè)的全球分銷(xiāo)商,貿(mào)澤電子將持續(xù)為工程師朋友帶來(lái)全面的SiC產(chǎn)品組合,助力包括軌道交通在內(nèi)的更多行業(yè),更快地實(shí)現(xiàn)自己的“雙碳目標(biāo)”。
評(píng)論