SiC助力軌道交通駛向“碳達峰”

當前，全球主要國家和地區(qū)都已經(jīng)宣布了“碳達峰”的時間表。在具體實現(xiàn)的過程中，軌道交通將是一個重要領(lǐng)域。由于用能方式近乎100%為電能，且?guī)哟罅炕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，因此軌道交通的“碳達峰”雖然和工業(yè)的“碳達峰”路徑有差異，但總體實現(xiàn)時間將較為接近。在中國，這個時間節(jié)點是2030年之前。

當然，“碳達峰”在每一個領(lǐng)域都有狹義和廣義的區(qū)分，比如在工業(yè)領(lǐng)域，一方面是重點企業(yè)自身通過節(jié)能+綠電的方式實現(xiàn)“碳達峰”，另一方面也需要圍繞重點企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游全面實現(xiàn)能耗降低。對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)鏈均需要實現(xiàn)“碳達峰”。

本文我們將重點介紹第三代半導體中的SiC（碳化硅）如何助力軌道交通完成“碳達峰”目標，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）等是第三代半導體的代表材料。通過下圖能夠看到，與第一二代半導體材料相比，SiC等第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿場強、更高的熱導率、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、高頻率場景，幫助相關(guān)領(lǐng)域提效降耗。

圖1：半導體材料特性對比

（圖源：海通證券）

得益于SiC材料優(yōu)異的電氣性能，SiC功率器件成為半導體廠商布局的熱門賽道，從廠商屬性來看，主要以IDM類型廠商為主。綜合而言，SiC功率器件主要分為兩大類，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肖特基二極管是當前速度最快的高壓肖特基二極管，在實際的開關(guān)應(yīng)用中，SiC肖特基二極管反向恢復(fù)時間為零，可以大幅提升開關(guān)頻率，并且開關(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，SiC MOSFET同樣具有不勝枚舉的性能優(yōu)勢，我們在此簡單列舉幾項。比如，SiC的介電擊穿場強大約是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的導通損耗更低，同時器件尺寸更??；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景下；此外，SiC MOSFET更利于方案廠商進行小型化和輕量化設(shè)計。

憑借著優(yōu)異的產(chǎn)品特性，SiC功率器件市場發(fā)展迅速。根據(jù)市場分析機構(gòu)Omdia的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年全球SiC功率器件市場規(guī)模為8.9億美元，受益于軌交、新能源汽車、光伏等下游市場的需求量不斷提升，預(yù)計到2024年全球SiC功率器件市場規(guī)模將達26.6億美元，年均復(fù)合增長率達到24.5%。

圖2：全球SiC功率器件市場規(guī)模預(yù)測

（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，相較于機車大功率交流傳動系統(tǒng)過往使用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，提升軌交機車的能效水平。

根據(jù)蘇州軌道交通官方的測試數(shù)據(jù)，蘇州軌交3號線0312號列車作為國內(nèi)首個基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項目，相較于過往使用IGBT逆變器、三相交流異步電機、車控牽引系統(tǒng)，新一代牽引系統(tǒng)可實現(xiàn)牽引節(jié)能20%，系統(tǒng)最大質(zhì)量減小19%，對我國軌道交通的“碳達峰”進程，有巨大的借鑒和推動作用。

未來，中國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，憑借著器件本身和拓撲結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢，SiC功率器件在軌道交通中的應(yīng)用前景光明且廣闊。

當然，為了響應(yīng)軌道交通，以及新能源汽車、儲能、光伏、電網(wǎng)等下游領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，SiC功率器件也會持續(xù)得到優(yōu)化。未來，SiC功率器件的發(fā)展趨勢將分為兩個層面。在器件本身，SiC功率器件將繼續(xù)強化在高頻、高耐壓和高集成等方面的優(yōu)勢，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、儲能等下游領(lǐng)域?qū)V泛受益，為各產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“雙碳目標”提速。作為知名的電子元器件分銷商，貿(mào)澤電子將持續(xù)為廣大工程師朋友帶來全面的SiC功率器件組合，以及先進的SiC功率器件新品。下面，就讓我們一起來看幾款來自制造商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

我們在上面提到，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20多年的深厚積累，英飛凌擁有完整的SiC供應(yīng)鏈，提供滿足最高質(zhì)量標準的豐富的SiC產(chǎn)品組合，從超低壓到高壓功率器件等不一而足，可以保證實現(xiàn)較長系統(tǒng)使用壽命并帶來高可靠性。

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，上面我們已經(jīng)提到了相關(guān)優(yōu)勢，此處不再贅述。我們要說的是，在SiC MOSFET方面，英飛凌 CoolSiC? MOSFET技術(shù)為系統(tǒng)設(shè)計人員帶來高性能、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、儲能、電機驅(qū)動、UPS、輔助電源和SMPS等領(lǐng)域賦能。

在1,700V電壓等級上，英飛凌CoolSiC? 1700V SiC溝槽式MOSFET采用新型碳化硅材料，優(yōu)化用于反激式拓撲結(jié)構(gòu)。我們以IMBF170R1K0M1XTMA1為例來展開說明，大家可以通過搜索此物料號在貿(mào)澤電子平臺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。該器件針對反激式拓撲進行了優(yōu)化，可在高效率水平下實現(xiàn)簡單的單端反激式拓撲，可用于在眾多電源應(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關(guān)損耗，以及用于EMI優(yōu)化的完全可控dV/dt，可用于實現(xiàn)高功率密度的方案設(shè)計。

通過采用TO-263-7高爬電距離封裝，IMBF170R1K0M1XTMA1可直接集成到PCB中，自然對流冷卻，無需額外的散熱器，并且由于延長了封裝的爬電距離和間隙距離，減少了隔離工作，從而進一步降低系統(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關(guān)功率晶體管（如CoolSiC? MOSFET），英飛凌基于其無芯變壓器技術(shù)推出了匹配的電隔離EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動IC。英飛凌建議，用該公司的EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動IC來補充英飛凌CoolSiC? MOSFET，以充分利用SiC技術(shù)的優(yōu)勢，提高效率、節(jié)省空間并減輕重量、減少零件數(shù)量和增強系統(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，并且在電動汽車快速充電、儲能系統(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)銷售數(shù)百萬個混合模塊（快速硅基開關(guān)與CoolSiC? 肖特基二極管的組合），進一步增強了該公司在SiC技術(shù)領(lǐng)域的市場地位。

我們以英飛凌CoolSiC? MOSFET模塊展開，這些模塊采用不同的封裝和拓撲結(jié)構(gòu)，提供從45mΩ到2mΩ RDS(on)的拓撲結(jié)構(gòu)，并支持根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行定制，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)計人員實現(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的溝槽設(shè)計，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，大家也可以通過搜索此物料號在貿(mào)澤電子平臺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ANPC拓撲、近閾值電路（NTC）和PressFIT觸點技術(shù)，擁有諸多優(yōu)秀的產(chǎn)品特性，包括具有1,200V開關(guān)的完整1,500VDC能力、高頻工作、大電流密度、低電感設(shè)計、低器件電容、與溫度無關(guān)的開關(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F3L11MR12W2M1B74BOMA1的器件詳情頁能夠看到，英飛凌1200V CoolSiC? 模塊提供最廣泛的Easy產(chǎn)品組合，擁有多個產(chǎn)品規(guī)范，同時模塊間還可以并聯(lián)使用，使得開發(fā)人員的逆變器設(shè)計自由度更高，優(yōu)化開發(fā)周期時間和成本。

總結(jié)

目前，在中國市場，無論是上述提到的國內(nèi)首個基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項目——蘇州軌交3號線0312號列車，還是國內(nèi)首臺全碳化硅牽引逆變器地鐵列車——深圳地鐵1號線列車，SiC在軌道交通方面的應(yīng)用已經(jīng)全面展開，并已經(jīng)成為項目中的核心亮點，使得相關(guān)列車具有更輕的質(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，未來軌道交通對于SiC的使用率會顯著提升，將全面進入SiC時代，加快”碳達峰”的腳步。在此過程中，SiC分立器件以及SiC模塊是系統(tǒng)的基石，作為半導體和電子元器件業(yè)的全球分銷商，貿(mào)澤電子將持續(xù)為工程師朋友帶來全面的SiC產(chǎn)品組合，助力包括軌道交通在內(nèi)的更多行業(yè)，更快地實現(xiàn)自己的“雙碳目標”。