電力電子仍然主要基于標準硅器件。雖然三電平和其他硅電路拓撲正在出現以提高效率，但新的碳化硅 (SiC) 設計正在出現，以滿足電動汽車不斷增長的高功率要求。

在采訪中，三菱電機美國公司的功率器件經理強調了碳化硅與標準硅實現相比的前景。

他們表示，可以通過將硅與碳化硅相結合的混合技術來提高效率。例如，具有碳化硅肖特基勢壘二極管的硅基絕緣柵雙極晶體管 (IBGT) 以相對較小的成本增加實現了效率提高。對于許多應用來說，這代表了成本和性能之間的折衷。

在不改變拓撲結構的情況下，三菱工程師斷言 SiC 是顯著提高效率的唯一方法之一。

昂貴的碳化硅

碳化硅仍然比硅貴得多。因此，重要的是要確定經濟性與節能或其他一些技術優勢保持同步的應用，以證明費用合理。

三菱電機專注于大功率設備的 SiC，主要是因為它們是在更高電壓下工作的垂直組件?！暗壥俏覀冊?RF 團隊中擁有一些經驗的材料。我們認為它在低功率應用中肯定有非常有用的應用，”三菱電機功率器件產品經理 Adam Falcsik 說。

“到目前為止，我們的功率器件開發主要集中在碳化硅上，主要是因為它更適合更高功率的應用。因此，我們 [生產中] 的設備模塊額定電流高達 1200 A，額定電壓高達 3.3 kV，”Falcsik 補充道。

碳化硅技術被認為是未經證實的，因此被傾向于保守的電力工程師認為是有風險的。許多人寧愿等待性能可靠的證據再采取行動，從而減緩 SiC 的采用。

事實上，三菱工程師注意到客戶仍處于“觀望”模式。

“如果早期采用者成功地使用了這項技術，并提供了預期的好處，那么采用率將會大大增加。我認為我們正在逐步通過那個階段，”三菱電機的功率設備應用工程師 Mike Rogers 說。

需要更改設計以充分利用碳化硅，從而導致 PCB 大量返工。該公司補充說，由此產生的設計必須能夠處理更高的工作頻率。

電動汽車、存儲應用

汽車應用將從碳化硅技術中受益匪淺，尤其是電動汽車傳動系統以及車載或充電站的電池充電。三菱電源設備經理 Tony Sibik 表示，對于電動汽車，“人們強烈希望減小電子設備的尺寸和重量”。

“碳化硅有助于通過縮小逆變器尺寸[和]提高效率，從而減少給定范圍所需的電池尺寸?！?/p>

電力設施規模的儲能應用是采用 SiC 的另一個潛在驅動力。該行業受益于向太陽能和風能等可再生能源的轉變，在沒有陽光和風的時候提供電力。

在高峰需求期間提供電力需要足夠的容量來存儲能量，因此需要更多的轉換器和逆變器。碳化硅是這些功率轉換步驟的有希望的候選者。

隨著越來越多的替代能源上線，潮流需要特別注意，包括有源濾波和諧波校正。所有這些都需要功率半導體。同時，寬帶隙 SiC 技術有望促進可再生能源的存儲。

一個原因是 SiC 的介電強度是硅的 10 倍，從而為構建在更高電壓下運行的設備提供了一個框架，同時滿足遠程充電基礎設施和智能電網應用的現場要求。此外，更高的開關頻率允許設計人員減小磁體、電感器和其他濾波器組件(包括變壓器)的物理尺寸。

三菱電機工程師指出，硅 IGBT 通常具有相對較慢的開關，隨著阻斷電壓的增加而進一步減慢。高壓范圍內的 IGBT，例如 3.3 kV，速度非常慢，并且表現出高開關損耗，將它們限制在低開關頻率。

“碳化硅為 3.3 kV 和不久的 6.5 kV 設備提供了優勢，”三菱功率設備總工程師 Eric Motto 說。“更重要的是，它們可以以比硅器件更高的頻率進行切換。

“我們今天在……地鐵應用中看到了這一點。我們正在為該應用量產 3.3 kV 碳化硅器件。它們仍然是相當昂貴的設備，但它們不僅在逆變器中獲得了效率改進，而且在動力系統的其他組件中也使它們適用，”Falsick 說。

較高的開關頻率帶來的低諧波可顯著提高電機效率，從而使 SiC 技術在高壓電源應用中得到更廣泛的采用。三菱電機認為，高壓直流傳輸正在推動硅器件的極限，使 SiC 成為這些應用更具吸引力的選擇。

因此，高達數萬瓦的節能可以抵消較高的設備成本。

SiC 器件，尤其是在高壓下，可提供更快、更高效的開關?？紤]到傳導損耗，最好的硅 IGBT 的壓降限制在 1.2 伏左右，即使在遠低于其額定電流的情況下運行也是如此。碳化硅在低電流下幾乎沒有電壓降，具體取決于使用的芯片面積。

三菱電機的發展路線圖實施優化和新結構以提高 SiC 性能?！傲硪环矫?，硅 IGBT 技術沒有太多需要改進的地方，我們已經對該技術進行了如此多的優化，以至于它已經達到了硅的物理極限，”羅杰斯說?！叭匀挥幸恍u進式的改進，特別是在可能的優化方面，但沒有什么能像我們用碳化硅實現的那樣引人注目?！?/p>

三菱電機預計碳化硅在一段時間內仍將比硅貴。因此，早期應用必須通過提高效率來證明成本合理。

Sibik 表示，該戰略的目標是“受益最大的應用，認識到當今使用硅 IGBT 的任何應用都可以使用碳化硅 MOSFET 來提高效率?！?“在未來的某個時間點，Si IGBT 將完全過時——但未來有多遠仍不清楚。”

肖特基二極管也有好處。三菱電機生產 600 伏至 3.3 kV 的 SiC 肖特基二極管，用于需要大電流的牽引逆變器等大批量應用。DC-DC 轉換器應用也需要二極管，這意味著 SiC 可以提供功率因數校正。

從長遠來看，目標是提供優化性能成本比的下一代 SiC 器件。三菱電機引用 IGBT 的數量和競爭力，承認成本優化對于微調晶圓工藝階段以支持不斷增長的產量至關重要。

技術障礙之一是由碳化硅晶片制成的基板的質量。晶圓缺陷繼續阻礙產量。這些缺陷會轉化為更高的 SiC 器件成本，最終阻礙采用。

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