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來(lái)源：貿澤電子 作者：Doctor M 當前，全球主要國家和地區都已經(jīng)宣布了“碳達峰”的時(shí)間表。在具體實(shí)現的過(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，且帶動(dòng)大量基礎設施建設，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(shí)現時(shí)間將較為接近。在中國，這個(gè)時(shí)間節點(diǎn)是2030年之前。 當然，“碳達峰”在每一個(gè)領(lǐng)域都有狹義和廣義的區分。比如在工業(yè)領(lǐng)域，一方面是重點(diǎn)企業(yè)自身通過(guò)節能+綠電的方式實(shí)現“碳達峰”；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)現能耗降低。對于軌道交通也是如此，狹義層面是指軌交工具的“碳達峰”，廣義層面則是指所有配送電設施和其他基礎建設以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈均需要實(shí)現“碳達峰”。 本文我們將重點(diǎn)介紹第三代半導體中的碳化硅（SiC），與下文氮化鎵（GaN）的形式統一如何助力軌道交通完成“碳達峰”目標，并為大家推薦貿澤電子在售的領(lǐng)先的SiC元器件精品。 SiC在軌道交通中的應用 SiC和氮化鎵（GaN）等是第三代半導體的代表材料。通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)商布局的熱門(mén)賽道，從廠(chǎng)商屬性來(lái)看，主要以IDM類(lèi)型廠(chǎng)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肖特基二極管是當前速度最快的高壓肖特基二極管，在實(shí)際的開(kāi)關(guān)應用中，SiC肖特基二極管反向恢復時(shí)間為零，可以大幅提升開(kāi)關(guān)頻率，并且開(kāi)關(guān)特性不受結溫的影響。SiC肖特基二極管能夠顯著(zhù)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(jiǎn)單列舉幾項。比如，SiC的介電擊穿場(chǎng)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(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(zhù)更低的開(kāi)關(guān)損耗，能夠打造更高功率密度的系統方案，且能夠工作于更高頻的場(chǎng)景下；此外，SiC MOSFET更利于方案廠(chǎng)商進(jìn)行小型化和輕量化設計。 憑借著(zhù)優(yōu)異的產(chǎn)品特性，SiC功率器件市場(chǎng)發(fā)展迅速。根據市場(chǎng)分析機構Omdia的統計數據，2019年全球SiC功率器件市場(chǎng)規模為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，預計到2024年全球SiC功率器件市場(chǎng)規模將達26.6億美元，年均復合增長(cháng)率達到24.5%。
圖2：全球SiC功率器件市場(chǎng)規模預測 （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)節均可用到SiC功率器件。比如在軌道交通的電力牽引系統中，牽引變流器是其中的核心器件，相較于機車(chē)大功率交流傳動(dòng)系統過(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)參數方面得到顯著(zhù)改善。并且，SiC功率器件可以在更高的頻率下切換，系統中的變壓器、電容、電感等無(wú)源器件的數量和體積明顯減小，改善了整體方案的體積和重量，提升軌交機車(chē)的能效水平。 根據蘇州軌道交通官方的測試數據，蘇州軌交3號線(xiàn)0312號列車(chē)作為國內首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅牽引系統項目，相較于過(guò)往使用IGBT逆變器、三相交流異步電機、車(chē)控牽引系統，新一代牽引系統可實(shí)現牽引節能20%，系統最大質(zhì)量減小19%，對我國軌道交通的“碳達峰”進(jìn)程，有巨大的借鑒和推動(dòng)作用。 未來(lái)，中國以及全球的軌道交通的電氣系統將呈現高頻化、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(zhù)器件本身和拓撲結構等方面的優(yōu)勢，SiC功率器件在軌道交通中的應用前景光明且廣闊。 當然，為了響應軌道交通，以及新能源汽車(chē)、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(huì )持續得到優(yōu)化。未來(lái)，SiC功率器件的發(fā)展趨勢將分為兩個(gè)層面。在器件本身，SiC功率器件將繼續強化在高頻、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產(chǎn)業(yè)的重中之重。 隨著(zhù)SiC功率器件的性能逐漸優(yōu)化，產(chǎn)能繼續爬坡，軌道交通、新能源汽車(chē)、儲能等下游領(lǐng)域將廣泛受益，為各產(chǎn)業(yè)實(shí)現“雙碳目標”提速。作為知名的電子元器件分銷(xiāo)商，貿澤電子將持續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(chǎng)商。而在這些廠(chǎng)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(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供應鏈，提供滿(mǎn)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(shí)現較長(cháng)系統使用壽命并帶來(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(shuō)的是，在SiC MOSFET方面，英飛凌 CoolSiC™ MOSFET技術(shù)為系統設計人員帶來(lái)高性能、可靠性和易用性，顯著(zhù)改善了器件的反向恢復特性，給方案設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、電機驅動(dòng)、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構。我們以IMBF170R1K0M1XTMA1為例來(lái)展開(kāi)說(shuō)明，大家可以通過(guò)搜索此物料號在貿澤電子平臺上快速找到這款器件。
圖5：IMBF170R1K0M1XTMA1 （圖源：貿澤電子） IMBF170R1K0M1XTMA1具有12V/0V柵極-源極電壓，兼容大多數反激式控制器。該器件針對反激式拓撲進(jìn)行了優(yōu)化，可在高效率水平下實(shí)現簡(jiǎn)單的單端反激式拓撲，可用于在眾多電源應用中連接到600V至1,000V直流母線(xiàn)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)現高功率密度的方案設計。 通過(guò)采用TO-263-7高爬電距離封裝，IMBF170R1K0M1XTMA1可直接集成到PCB中，自然對流冷卻，無(wú)需額外的散熱器，并且由于延長(cháng)了封裝的爬電距離和間隙距離，減少了隔離工作，從而進(jìn)一步降低系統復雜度，提升功率密度。
圖6：IMBF170R1K0M1XTMA1內部框圖 （圖源：英飛凌） 需要特別強調的是，為了確保提供適合各自應用的系統方案，英飛凌仍在繼續優(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™柵極驅動(dòng)IC。英飛凌建議，用該公司的EiceDRIVER™柵極驅動(dòng)IC來(lái)補充英飛凌 CoolSiC™MOSFET，以充分利用SiC技術(shù)的優(yōu)勢，提高效率、節省空間并減輕重量、減少零件數量和增強系統可靠性。 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、儲能系統、工業(yè)電源和光伏逆變器等領(lǐng)域都有重要應用。 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撲結構，提供從45mΩ到2mΩ RDS(on)的拓撲結構，并支持根據不同的應用需求進(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，幫助逆變器設計人員實(shí)現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)的溝槽設計，具有較高的效率和系統靈活性。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)搜索此物料號在貿澤電子平臺上快速了解這款模塊。
圖7：F3L11MR12W2M1B74BOMA1 （圖源：貿澤電子） 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(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、低電感設計、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8：F3L11MR12W2M1B74BOMA1內部框圖 （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 1200VCoolSiC™模塊提供最廣泛的Easy產(chǎn)品組合，擁有多個(gè)產(chǎn)品規范，同時(shí)模塊間還可以并聯(lián)使用，使得開(kāi)發(fā)人員的逆變器設計自由度更高，優(yōu)化開(kāi)發(fā)周期時(shí)間和成本。 總結 目前，在中國市場(chǎng)，無(wú)論是上述提到的國內首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅牽引系統項目——蘇州軌交3號線(xiàn)0312號列車(chē)，還是國內首臺全碳化硅牽引逆變器地鐵列車(chē)——深圳地鐵1號線(xiàn)列車(chē)，SiC在軌道交通方面的應用已經(jīng)全面展開(kāi)，并已經(jīng)成為項目中的核心亮點(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(zhù)全球SiC產(chǎn)品技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的完善，未來(lái)軌道交通對于SiC的使用率會(huì )顯著(zhù)提升，將全面進(jìn)入SiC時(shí)代，加快”碳達峰”的腳步。在此過(guò)程中，SiC分立器件以及SiC模塊是系統的基石，作為半導體和電子元器件業(yè)的全球分銷(xiāo)商，貿澤電子將持續為工程師朋友帶來(lái)全面的SiC產(chǎn)品組合，助力包括軌道交通在內的更多行業(yè)，更快地實(shí)現自己的“雙碳目標”。 相關(guān)技術(shù)資源 英飛凌 CoolSiC™ MOSFET和二極管，了解詳情 » 英飛凌 CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET，了解詳情 » 英飛凌 1200V CoolSiC™ 模塊，了解詳情 » |
