英飛凌碳化矽SiC技術創新的四大支柱綜述（一）

本文是根據2024年「第十八屆中國半導體行業協會半導體分立器件年會」演講稿整理而成

碳化矽為提升綠色能源鏈中的各種應用提供了巨大潛力

IGBT在大功率電力電子行業的應用是在20年前發展起來的，當時主要應用於工業電源、UPS和變頻器等有限領域。但到了今天，整個電能生態鏈——新能源發電、輸配電、電能品質改善等都成為了IGBT的主要應用領域。而且，用電領域的範圍還在持續拓展，例如熱泵、電解水製氫、低空飛行器等。

高能效的發電、輸電和用電發展是電力電子技術發展和功率半導體發展的成果，20年來功率半導體技術、產品和應用都有了長足的進步。功率半導體的市場成長了數十倍，而許多應用是從無到有，其發展速度完全超乎規劃。
 

今天繼IGBT之後，我們擁有了SiC MOSFET這項革命性的技術，也推出了創新的產品。我們來思考一下、預測一下碳化矽的潛力有多大，碳化矽能夠改變什麼。
 

先舉幾個例子，看看功率半導體的重要性：

光伏發電自大規模應用以來，就有非常明確的追求目標——效率至上，其結果是功率密度的提升、單機功率的提高。使用碳化矽的組串逆變器在重量和尺寸不變的情況下，額定功率提升了一倍。
 

電池儲能效率非常重要，整個儲能應用過程需要經過充電和放電的兩次功率轉換，兩次損耗，採用碳化矽的儲能PCS可以減少50%的能量損耗，電池利用率提高。
 

電動車是行走的儲能系統，必須自己背著電池和逆變器高速行駛，效率豈不是更重要。
 

採用碳化矽可以將電動汽車的充電時間縮短一半，並可將電動汽車主逆變器的系統尺寸縮小至80%，同時增加續航里程。
 

SiC MOSFET剛進入市場的時候，業界普遍認為在起步階段，主要目標應用是太陽能光伏發電、不間斷電源（UPS）、電動車充電、機車牽引，接著才是電機驅動，當時的預測也相對保守。
 

而今天我們已經看到應用場景非常豐富，而有些應用非碳化矽莫屬，如燃料電池的空壓機和高壓大功率的DCDC。

Yole 的報告預測，SiC 在 2022-2027 年的複合年增長率（CAGR）將達到 33%，推動增長的主要應用是電動汽車的主驅和 OBC，高達 38%-39%，電機驅動 43%，光伏發電 18%。雖然光伏發電的增長率看起來不算特別高，但從更長的時間尺度來看，根據行業機構 CASA Research 的數據顯示，2020 年碳化矽功率元件在光伏逆變器中的滲透率為 10%。隨著光伏電壓等級的提升，碳化矽功率元件的滲透率將不斷提高，預計到 2048 年將達到 85% 的滲透率。
 

我們也看好燃料電池市場，燃料電池空壓機採用的是30-40千瓦的12萬轉高速電機，電機驅動器的調制頻率在50kHz以上。針對這樣的應用，採用1200V高速元件碳化矽是最好的方案。燃料電池電堆的輸出特性非常軟，需要DCDC變換器來穩壓，其功率需要與主驅相當。200千瓦的DCDC可以由8路25kW DCDC模組構成，或者6路33kW DCDC模組構成。也就是說，輸入電流為75A或100A，輸出電壓為660V甚至更高，開關頻率達到80kHz水平。這種情況下，使用SiC元件是理所當然的，其性能和功率密度與早期燃料電池國家項目中使用的英飛凌第二代平面柵IGBT S4系列的設計相比，可謂天壤之別。

碳化矽將為許多應用領域的各種系統帶來巨大價值
 

為什麼使用碳化矽大家或多或少都有些體會，我這裡舉幾個例子：
 

光伏逆變器的效率是系統最重要的指標之一，也是逆變器產品的核心競爭力。由於英飛凌IGBT技術的進步以及SiC產品的加持，我們與客戶共同為光伏創新，組串逆變器的功率轉換效率已非常接近極限，效率超過99%。
 

光伏逆變器的核心競爭力是組串逆變器的單機功率，現在陽光電源的組串單機額定功率達到了320千瓦，最大輸出352千瓦，重量116公斤。過去10年，由於光伏系統邁向1500V，以及功率變換電路的創新和功率半導體器件技術與應用技術的突破，組串逆變器每公斤的輸出功率提升了6倍。
 

與硅基產品相比，碳化矽可將電動車快速充電站的效率提升2%，這可將充電時間縮短約25%。此外，其節能效果非常顯著，若為1800萬輛汽車充電，每年就能節省1000GWh的電量，超過三峽的年發電量。換句話說，效率的提升可以在不增加能源消耗的情況下，為另外36萬輛汽車充電。
 

由於應用的需求，英飛凌碳化矽MOSFET有7個電壓等級，分別為400V、650V、750V、1200V、1700V、2000V/2300V、3300V。產品是為應用而設計，因此應用場景非常明確。

400V SiC MOSFET是一個新的電壓等級，其性能更容易根據特定應用進行優化，是200-650V電壓之間高性能的MOSFET，目標應用為300V以下的兩電平功率轉換和600V直流母線的T字型三電平電路。具體應用包括通信電源、光伏逆變器、儲能PCS、電動飛機、固態斷路器，甚至音頻功放。

英飛凌650V SiC MOSFET的產品種類非常豐富，650V的工業應用主要包括開關電源、開關電源中的CCM Totem pole PFC、LLC、光伏中的HERIC電路、I型NPC三電平中的快管以及T型三電平NPC中的橫管。
 

英飛凌的CoolSiC™ MOSFET 750V擴展了CoolSiC™ MOSFET 650V G1產品系列，它特別針對固態斷路器、電動車充電、太陽能逆變器、伺服器和人工智慧電源供應器（PSU），拓撲結構包括CCM和TCM調制的圖騰柱、HERIC、有源中點鉗位三電平（ANPC）、維也納整流器、雙有源橋（DAB）、移相全橋（PSFB）、LLC和CLLC。
 

英飛凌1700V SiC MOSFET主要用於380Vac供電的工業系統和光伏儲能中的反激式輔助電源，相較於使用矽MOSFET實現，電路更簡單，效率更高。參考：英飛凌1700V CoolSiC™ MOSFET在光伏輔助電源上的應用
 

2000V系列是為1500V光伏逆變器開發的。在實際應用中，透過使用該系列產品，兩電平可以取代三電平的結構，在輕載下，Boost升壓效率提高了1%，而在所有工作條件下，升壓效率平均提高了0.5%。它實現了更簡單的電路結構，減少了元件的數量，同時提高了功率密度，降低了1500 VDC應用的總系統成本。參考：英飛凌再次榮獲2024年全球電子成就獎，CoolSiC™ MOSFET 2000V功率元件和模組備受矚目
 

2023年英飛凌推出3300V XHP2 CoolSiC™ MOSFET功率模組，專門針對牽引應用量身打造。該模組不僅能滿足牽引等應用嚴苛的運行條件，還能使列車電機和變頻器的總能耗降低10%，有助於打造更環保、更安靜的列車。這些特性對於未來的列車交通至關重要。
 

目前，你可以在英飛凌官網找到294個SiC MOSFET的型號（截至2024年12月），電壓等級從400V到3300V，包括分立元件單管及各類模組，分立元件QDPAK TSC的半橋也即將發布。

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