是時(shí)候從Si切換到SiC了嗎？

在過(guò)去的幾年里，碳化硅(SiC)開(kāi)關(guān)器件，特別是SiC MOSFET，已經(jīng)從一個(gè)研究課題演變成一個(gè)重要的商業(yè)化產(chǎn)品。最初是在光伏（PV）逆變器和電池電動(dòng)車(chē)（BEV）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用，但現(xiàn)在，越來(lái)越多的應(yīng)用正在被解鎖。在使用電力電子器件的設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都必須評(píng)估SiC在系統(tǒng)中可能的潛力，以及利用這一潛力的最佳策略是什么。那么，你從哪里開(kāi)始呢？

工程師老前輩可能還記得雙極晶體管在SMPS中被MOSFET取代的速度有多快，或者IGBT模塊將雙極達(dá)林頓晶體管模塊踢出逆變器的速度有多快。

電力電子的驅(qū)動(dòng)力一直是降低損耗、小型化和提高可靠性。預(yù)計(jì)這將繼續(xù)下去。那么，是否有必要匆匆忙忙地將每個(gè)設(shè)計(jì)盡快從硅（Si）轉(zhuǎn)換到SiC？IGBT是否會(huì)像幾十年前的雙極達(dá)林頓一樣完全從市場(chǎng)上消失？

今天的電力電子應(yīng)用比80年代和90年代的應(yīng)用更加多樣化，功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)也更大。因此，從Si到SiC的有序的部分替代比所有應(yīng)用的顛覆性改變更現(xiàn)實(shí)。然而，這在具體的應(yīng)用中取決于SiC為該應(yīng)用提供的價(jià)值。

SiC如何為電力電子設(shè)計(jì)提供價(jià)值？

在使用電感器或變壓器的功率變換系統(tǒng)中，SiC可以提高開(kāi)關(guān)頻率，從而使電感元件更小、更輕，并最終降低成本，這是SiC MOSFET進(jìn)入光伏逆變器的重要原因。幾年前，SiC MOSFET開(kāi)始應(yīng)用在ANPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，是1500V光伏系統(tǒng)很好的設(shè)計(jì)方案。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高了開(kāi)關(guān)頻率，其中只有三分之一的功率器件采用了SiC MOSFET，系統(tǒng)性價(jià)比高。

但并非所有的應(yīng)用都能從提高開(kāi)關(guān)頻率中受益。在通用變頻器（GPD）應(yīng)用中，由于沒(méi)有電感元件可以從更高的開(kāi)關(guān)頻率中受益。即使在今天使用的不太高的調(diào)制頻率下，電機(jī)電流也已經(jīng)是幾乎完美正弦的了。但是，SiC也可以用來(lái)減少導(dǎo)通損耗。與IGBT和二極管不一樣，只要應(yīng)用通常的PWM模式下，SiC MOSFET在兩個(gè)方向都具有“無(wú)拐點(diǎn)電壓”的特性。因此，如果使用足夠大的芯片面積，就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通損耗的大幅降低。這使得設(shè)計(jì)集成在電機(jī)中的驅(qū)動(dòng)器成為可能。它可以集成到密封的機(jī)箱內(nèi)，并采用自然冷卻。此外，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)工作在輕載的應(yīng)用，可以利用“無(wú)拐點(diǎn)電壓”的特點(diǎn)來(lái)降低能耗和總擁有成本（TCO）。

如果體二極管可以用作續(xù)流二極管，如英飛凌CoolSiC? MOSFET，這將提供另一個(gè)對(duì)某些驅(qū)動(dòng)器很重要的好處。無(wú)論功率流方向如何，功率耗散將始終在同一個(gè)芯片中，從而大大減少與功率循環(huán)有關(guān)的溫度波動(dòng)。

圖1：體二極管的同步整流

有時(shí)，更高的溫度運(yùn)行被宣稱(chēng)為SiC的一個(gè)好處。在需要在高溫環(huán)境下散熱的應(yīng)用中，這將是一個(gè)重要的特性，但前提是封裝和其他系統(tǒng)元件也要適合這種環(huán)境。

總結(jié)一下：

當(dāng)一個(gè)應(yīng)用可以從Si到SiC的切換中受益時(shí)，以正確的策略進(jìn)行切換是很重要的。但是簡(jiǎn)單粗暴的切換可能無(wú)法充分利用新的半導(dǎo)體材料的潛力，即使它的工作沒(méi)有問(wèn)題。應(yīng)該考慮盡量減少直流母線連接和柵極驅(qū)動(dòng)器上的雜散電感，而且在大多數(shù)情況下，保護(hù)方案也需要調(diào)整。由于這需要時(shí)間，開(kāi)發(fā)項(xiàng)目應(yīng)盡早開(kāi)始，即使目前SiC的供應(yīng)情況看起來(lái)很緊張。